DE2250355B2 - Verfahren zum antreiben des rotors einer gasturbinenanlage und gasturbinenanlage zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Reaktion durch die Düsen der Rotorzellen nutzbar ist, ehe die Arbeitsgase entweder im offenen Zyklus ausgestoßen oder im geschlossenen Zyklus im Kreislauf umgeführt werden.

Bei im offenen Zyklus arbeitenden, Brennstoff s verbrennenden Versionen der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage kann der außerhalb des Rotors stattfindende Verbrennungsvorgang mit derartig hohem Wirkungsgrad durchgeführt werden, daß die Abgase im wesentlichen kein Kohlenmonoxyd oder unverbrannten Brennstoff enthalten. Beim Außenverbrennungsverfahren können mit hohem Wirkungsgrad einfache Brennstoffe ohne nachteilige Zusätze, wie beispielsweise Bleiverbindungen, verwendet werden. Ferner kann Brennstoff niedriger Flüchtigkeit verwendet werden, wodurch in erheblichem Maße die aus dem Verdampfen des Brennstoffes während des Transportes, der Lagerung oder in den Brennstofftanks von Kraftfahrzeugen herrührende Umweltbelastung verringert oder vermieden werden kann.

Wegen der im einzelnen in Unteransprüchen gekennzeichneten beweglichen Steuerabschnitte für die Einlaßöffnungen des Gehäuses kann die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage mit gutem Wirkungsgrad bei verschiedenen Drehzahlen arbeiten. Die Erzielung einer wirksamen Betriebsweise bei verschiedenen Geschwindigkeiten stellt eines der größeren Probleme dar, die bei dem Versuch, Turbinen bei Automobilen oder anderen beweglichen Anlagen zu verwenden, auftreten.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten sind in Unteran-Sprüchen gekennzeichnet und ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung an Hand von in den Zeichnungen beispielsweise veranschaulichten Ausführungsformen näher erläutert wird. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines Teils einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage,

F i g. 2 eine Abwicklung eines Sektors einer einfachen Ausführungsform der Turbine mit feststehenden Steueröffnungen, wobei eine reflektierte Druckwelle bei deren Entwicklung zusammen mit anderen Druckwellen und Gastrennfronten, die für die Verdichtung relevant sind, veranschaulicht ist,

F i g. 3 eine schematische abgewickelte Ansicht einer Turbine ähnlich Fig. 1, wobei jedoch mehr Teile des Gesamtsystems dargestellt sind, und die eine bevorzugte Ausführungsform beweglicher Blöcke zur Steuerung der Größen und mittleren Stellungen bestimmter Einlaßöffnungen und Auslaßöffnungen in dem Rotorgehäuse zeigt,

F i g. 4 eine abgewickelte Ansicht eines Teils einer alternativen Ausführungsform nach der Erfindung, bei der in skizzenhafter Darstellung eine vollständige Antriebsmaschine angedeutet ist und bei der ebenfalls bewegliche Blöcke vorgesehen sind, mittels derer die Größen und mittleren Stellungen bestimmter Einlaß- und Auslaßöffnungen in dem Rotorgehäuse gesteuert veränderbar sind,

Fig.5 eine abgewickelte Ansicht eines Teils des Aufbaus der erfindungsgemäßen Antriebsturbine, welehe insbesondere dazu dient, eine Anzahl von der Rückführung dienenden Strömungsphasen zu zeigen, die dazu dienen, die Rotorzellen wieder mit Heißgasen zu füllen, um dadurch zusätzliche Reaktionsstufen zu schaffen,

F i g. 6 eine weitere atagewickelte Ansicht eines Teils der erfindungsgemäßen Antriebsturbine, welche eine Anzahl von der Rückführung dienenden Strömungsphasen mit dazugehörigen, durch die Rotorzellen gelbilde ten Reaktionsstufen veranschaulicht sowie die grafische Darstellung einiger der darin erzeugten Expansionswel len, ferner zeigen die

Fig. 7A, 7B und 7C drei Ansichten eines Abschnitt! des Rotors, wobei die Rotorzellen schraubenlinienför mig ausgebildet sind,

F i g. 8A₁ 8B und 8C drei Ansichten eines Abschnitt! des Rotors, bei dem die Rotorzellen helikoidal geformt sind,

F i g. 9A, 9B und 9C drei Ansichten eines Abschnitt! des Rotors, wobei die Rotorzellen spiralförmig ausgebil det sind,

Fig. 1OA und 1OB alternative Ausführungsformende! als Expansionsdüse ausgebildeten Bereiches der Rotor zellen und die

Fig. HA bis HF beispielhafte Anordnungen vor Arbeitssektoren der erfindungsgemäßen Antriebsturbi ne bezüglich der Drehachse.

Aus den F i g. 1 bis 3 und insbesondere aus F i g. 4, ir der mehr Einzelheiten des Systems veranschaulicht sind ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Antriebsturbi ne eine Einlaßkammer 11 aufweist, über welche durcl· die durch Leitflügel 13 in Einlaßöffnungen 14 unterteilte Kaltgas-Einlaßöffnung 12 Frischgas vergleichsweise niedriger Temperatur und niedrigen Druckes zugeführ wird. Obwohl verschiedene Typen und Mixturen vor Frischgas insbesondere in Systemen mit geschlossenen Kreislauf verwendet werden können, wird angenom men, daß bei im offenen Kreislauf arbeitenden Systemer das Frischgas niedriger Temperatur und niedriger Druckes normalerweise Luft sein wird, welche von dei umgebenden Atmosphäre angesaugt wird. Die Luft wire der Einlaßkammer 11 durch ein Gebläse oder einer Verdichter 15 zugeführt. Das Gebläse 15 ist durch ein< Welle 16 angetrieben, die bei einer Ausführungsforrr nach der Erfindung entweder direkt oder über eir Getriebe oder ähnliche Einrichtungen an dem al: Kompressions- und Expansionsstufc dienenden Rotoi 17 angeschlossen ist. Bei alternativen Ausführungsfor men nach der Erfindung kann das Gebläse über einer Antrieb variabler Drehzahl (stufenweise oder kontinu ierlich variabel) oder durch ein unabhängiges Turbinen rad oder andere ähnliche Einrichtungen angetrieber sein, welche es ermöglichen, daß die Zufuhr von Luf oder anderem Kaltgas unabhängig von der Rotorge schwindigkeit gesteuert werden kann. Das Gebläse Ii kann durch jegliche Art von Pumpeinrichtunger gebildet sein, welche Luft von der Atmosphäre odei kaltes, im Kreislauf rückgeführtes Gas bei Ausführungs formen, die im geschlossenen Kreislauf arbeiten ansaugt und die Einlaßkammer 11 füllt. Die Leitflügel 1: sind vorgesehen, um den einströmenden Kaltgasen der richtigen Grad an Vordrall mitzuteilen. Diese Leitflüge können bei Anwendungsfällen konstanter Umfangsge schwindigkeit feststehend ausgebildet sein oder in ihrei Stellung variabel sein, um entsprechende Vordrallwin kel fiber einen Bereich von Betriebsumfangsgeschwin digkeiten bei Anwendungsfällen variabler Geschwindig keit zu ermöglichen. Das Frischgas niedriger Tempera tür und niedrigen Drucks in der Einlaßkammer 11 strömt durch die öffnung 12, wobei öffnungen 14 durct die den Vordrall erzeugenden Leitflügel 13 gebilde sind, um die verbrauchten Gase aus den Rotorzellei durch die Auspufföffnung 19 in die Auspuffkammer TU auszuspülen. Dieser Spülvorgang erfolgt in den Moment, in dem jede Rotorzelle mit ihrer entsprechen den Einlaßöffnung, wie beispielsweise die öffnung 21

bezüglich der Einlaßöffnung 12 freiliegt und ihr Auslaß iur Auspufföffnung 19 offen ist.

Aus den F i g. 1,2,3 und 4 ist ferner ersichtlich, daß bei der erfindungsgemäßen Antriebsturbine eine Heizkammer 22 vorgesehen ist. Die Heizkammer 22 ist in ihren Einzelheiten in F i g. 4 mit einer Brennstoffeinspritzeinrichtung 24 und einem Zündsystem 25 zum Starten veranschaulicht. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß jede einer großen Anzahl von Wärmequellen bei dem erfindungsgemäßen Antriebsmotor verwendbar ist, beispielsweise können die Gase in der Heizkammer 22 durch Verbrennung erhitzt werden, wie dies grundsätzlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung näher erläutert wird, jedoch kann die Wärmequelle zum Erwärmen der Arbeitsgase ebenso ein Kernreaktor, eine radioaktive Heizung, eine Sonnenenergieheizeinrichtung oder jede andere der unzähligen anderen bekannten Einrichtungen zum Erhitzen von Gasen in einer Kammer sein. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffeinspritzeinrichtung 24 sowohl an die Steuereinrichtung 26 zum Start wie auch an eine Brennstoffquelle angeschlossen. Zum Zwecke der vorliegenden Beschreibung soll angenommen werden, daß das Erhitzen der Gase auf Grund der Verbrennung in Luft erfolgt und daß als Brennstoff ein öl, beispielsweise Dieselöl, verwendet wird, welches in der Brennstoffeinspritzvorrichtung 24 in einer einem üblichen Brenner einer Gasturbine ähnlichen Weise zerstäubt oder verdampft wird. Der Fackelzünder oder Zündmechanismus 25 liefert die Zündflamme für den von der Brennstoff einspritzeinrichtung 24 kommenden Brennstoff und folglich erfolgt die Verbrennung des Brennstoffes im Inneren der Heizkammer 22, die sowohl die Brennstoffeinspritzeinrichtung 24 als auch die Zündeinrichtung 25 enthält. Die Zündeinrichtung 25 ist ebenfalls durch die Startsteuerung 26 gesteuert veranschaulicht. Das Zündsystem kann wahlweise eine elektrische Heizeinrichtung oder eine andere Art Heizung aufweisen, welche den Brennstoff vorheizt, um die Verbrennung zu erleichtern.

Aus den F i g. 1 bis 9 ist ersichtlich, daß der Rotor eine Anzahl von Schaufeln 27 oder andere Arten von Unterteilungen oder Trennwänden aufweist, die eine Anzahl von verschiedenen Formen haben können. Wie weiter unten unter Bezugnahme auf die F i g. 7 A bis 7C, 8A bis 8C und 9A bis 9C näher erläutert, können diese Schaufeln oder Unterteilungen derart geformt werden, daß eine Strömungsmaschine mit Axialströmung, Radialströmung oder mit anders gerichteter Strömung erzeugt wird

Die Hohlräume zwischen den Rotorschaufeln oder Unterteilungen werden im folgenden als Rotorzellen bezeichnet Die bereits zuvor erwähnten Rotorzellen sind in den Fig. 1 bis 10 als Rotorzellen 18 bezeichnet Jede Rotorzelle 18 wird durch zwei Rotorschaufeln 27 auf beiden Seiten und durch eine Rotornabe 28 auf der dritten Seite begrenzt Die Rotornabe ist am besten aus den Fig.l, 7A bis 7C, 8A bis 8C und 9A bis 9C ersichtlich und bildet den Boden jeder Rotorzelle. Die Rotornabe 28 ist für schraubenlinienförmige Zellen zylindrisch, scheibenförmig für spiralförmige Zellen und konisch für helikoidal geformte Zellen ausgebildet, wie dies in den Fig.7A bis 7C, 8A bis 8C und 9A bis 9C veranschaulicht ist

Wie insbesondere aus den F i g. 1 bis 6 ersichtlich, ist der die Kompressions- und die Expansionsstufe bildende Rotor 17 in einem ortsfesten, allgemein mit 29 bezeichneten Gehäuse eingeschlossen, dessen Wandungen im Bereich des Bewegungsweges der Einlaßöffnungen und Auslaßöffnungen der Rotorzellen liegen. Jed? Rotorzelle wird auf der Außenseite, d. h, auf der Seite, die der Rotornabe gegenüberliegt, mittels entweder einer weiteren Wandung des Gehäuses 29 oder durch ein drehbares Schaufeldeckband 30, welches an den Schaufeln befestigt ist, begrenzt Dieses Schaufeldeckband ist in den Fig. 1, 2, 3 oder 4 nicht dargestellt, ist jedoch aus den F i g. 7A bis 7C, 8A bis 8C und 9A bis 9C ersichtlich. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden die öffnungen in dem ortsfesten Gehäuse, welche die verschiedenen ortsfesten Gaskammern mit den Rotorzellen verbinden, als »öffnungen« bezeichnet.

■ 5 Die öffnung 12, welche die Einlaßkammer 11 mit den Rotorzellen verbindet, wurde bereits oben erläutert. Aus den F i g. 1 bis 6 ist ferner ersichtlich, daß eine Heißgasöffnung 31, die von der Heizkammer 22 ausgeht, eine Auspufföffnung 19, welche zu der

Auspuffkammer 20 führt, eine Öffnung 32 für verdichtete Kaltluft, die zu der Kammer 33 für verdichtetes Kaltgas führt, eine Anzahl von Expansionsöffnungen 34E, 35£, 36Eund 37£für Heißgas und eine Anzahl von Wiedereintrittsöffnungen 34Ä, 35Λ, 36Λ und 37/? für Heißgas vorgesehen sind. Es soll darauf hingewiesen werden, daß das Spiel zwischen · dem Rotor 17 einschließlich der Rotorschaufeln 27 und des möglicherweise vorgesehenen Schaufeldeckbandes 30 und dem ortsfesten Gehäuse 29 auf allen Seiten klein genug ist, um zu verhindern, daß zwischen benachbarten Rotorzellen oder von den Rotorzellen radial nach innen an der Nabe 28 vorbei oder von den Rotorzellen radial nach außen an dem möglicherweise vorgesehenen Schaufeldeckband 30 vorbei eine merkliche Gasströmung auftritt. Dennoch reicht das Spiel zwischen dem Rotor 17 und dem Rotorgehäuse 29 aus, um eine unbehinderte Drehung des Rotors bei sämtlichen Betriebstemperaturen zu ermöglichen. In den Fig.5 und 6 ist das Spiel zwischen dem Rotor und dem ortsfesten Gehäuse als einzige Linie dargestellt, um anzudeuten, daß das Spiel ausgesprochen klein ist.

Jeder Einlaß 21 einer Rotorzelle weist im allgemeinen etwa denselben Querschnitt auf, wie der Hauptteil der Rotorzelle. Der Auslaß jeder Rotorzelle ist als Drosselstelle !ausgebildet um eine konvergierende Düse 38 in der Rotorzelle zu bilden. Alternativ dazu, wie dies in Fig. 10 veranschaulicht ist, kann jede dieser Düsen die Form eines verengten Bereiches 39 aufweisen, an den sich ein erweiterter Abschnitt 40 anschließt, um so eine zunächst konvergierende, dann divergierende Düse 41 zu bilden, die im folgenden näher erläutert wird. Die minimale Querschnittsfläche der Düse in der Rotorzelle ist geringer als die des Hauptabschnitts der Rotorzelle. Das Verhältnis von Querschnittsfläche der Düse zur Querschnittsfläche der Rotorzelle wird klein genug gewählt um eine reflektierte Druckwelle zu erzeugen, wie bereits oben erwähnt wurde und welche im folgenden noch näher erläutert wird. Der die Kompressions- und Expansionsstufe bildende Rotor 17 dreht im Bereich der Einlaßkammer 11, der Heizkammer 22, der Auspuffkamrner 20 und der Kammer 33 für verdichtetes Kaltgas. Die Rotorzellen des Rotors nehmen kalte Gase aus der Einlaßkammer auf, welche zunächst als Spülgas wirken, worauf heiße Gase aus der Heizkammer folgen

f.? Die erfindungsgemäße Antriebsturbine kann mit Einrichtungen versehen sein, die lediglich einen einziger derartigen Zyklus pro Umdrehung erzeugen, wöbe sämtliche Rotorzellen um den Umfang des die

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Expansions- und Kompressionsstufe bildenden Rotors nacheinander diesen einen Zyklus durchführen. Andererseits können Einrichtungen vorgesehen sein, die es ermöglicheil, daß eine Vielzahl derartiger Zyklen bei einer Umdrehung abläuft. Bei Ausführungsformen, bei denen eine Anzahl von Arbeitszyklen bei einer vollständigen Umdrehung des Rotors abläuft, sind die Einrichtungen zur Erzielung eines jeden einzelnen Zyklus durch einen bogenförmigen Arbeitssektor (vgl. F i g. 11A bis 11 F) definiert. Jeder derartige bogenförmige Arbeitssektor, in dem ein vollständiger Arbeitszyklus abläuft, wird im folgenden lediglich als Sektor bezeichnet Die erfindungsgemäße, auf dem Druckwellenprinzip arbeitende Antriebsturbine kann daher einen einzelnen Sektor aufweisen oder kann eine Anzahl von Sektoren haben, die um die Achse des die Kompressions- und Expansionsstufe bildenden Rotors herum in einer Weise angeordnet sind, wie dies weiter unten unter Bezugnahme auf die F i g. 11A bis 11F beschrieben wird. Falls eine Anzahl von Sektoren verwendet wird, können die verschiedenen Sektoren entweder gleiche oder ungleiche Bogenabschnitte um den Umfang des Rotors einnehmen und sie können symmetrisch oder asymmetrisch bezüglich dessen Achse angeordnet sein.

Die Stufen, die bei einem Arbeitszyklus auftreten, d. h. diejenigen, die während der Zeit auftreten, in der eine Rotorzelle des die Kompressions- und Expansionsstufe b'ldenden Rotors einen Sektor durchläuft, werden im folgenden bei einer Betriebsweise im Auslegungspunkt beschrieben, d. h. bei optimaler Drehzahl, bei bestimmtem Brennstoffverbrauch, Heißgastemperatur und äußerer Last. Bei anderen Drehzahlen oder Temperaturen kann sich hinsichtlich des unten beschriebenen zeitlichen Ablaufs die Ankunft und das Ablaufen der Druckwellen, reflektierten Druckwellen und Expansionswellen unterscheiden. Diese Zustände werden als »Zwischenzustände« bezeichnet. Die sich ergebende Folge von Ereignissen bleibt jedoch im wesentlichen dieselbe, obwohl Strömungen, Drücke, Temperaturen und erzeugte Kraft von den charakteristischen Parametern der Arbeitsweise im Auslegungspunkt abweichen können. Es treten eine Vielzahl von Druckwellen (direkte und reflektierte) und Expansionswellen in den Rotorzellen als Folge des öffnens und Schließens der öffnungen während des Kompressionsvorganges und während des anschließenden Expansionsvorganges der Heißgase auf. Bei der folgenden Diskussion jedoch werden lediglich die wichtigsten Druckwellen und Expansionswellen, welche direkt die Betriebsweise und die zeitliche Folge der Einlaß- und Auslaßöffnungen und der Rotorzellen bestimmen, beschrieben.

Bei Betriebsweise im Auslegungspunkt ist die Folge von Ereignissen am besten unter Bezugnahme auf Fig.2 ersichtlich. Fig.2 stellt eine Bauweise dar, welche einfacher ist als die in den Fig.3 und 4 veranschaulichte Bauweise, was jedoch dazu dient, die Phänomene der primären und der reflektierten Druckwellen zusammen mit einer frühen Stufe einer Expansionswelle eindeutiger zu erläutern. Aus diesem Grund sind bei der in Fig.2 veranschaulichten Bauart keine beweglichen Blöcke in den Einlaß- und Auslaßöffnungen vorgesehen, welche notwendig sind, um eine Arbeitsweise höheren Wirkungsgrads über einen Bereich verschiedener Drehzahlen zu ermöglichen. Aus Gründen der Klarheit jedoch sind, wo immer möglich, in F i g. 2 dieselben Bezugszeichen wie in den F i g. 3 und 4 verwendet

Es wird für den Moment angenommen, daß Heißgas durcti den letzten Kanal 37R des Rückführungssystems (dessen Einzelheiten im folgenden noch näher erläutert werden) fließt Das Heißgas fließt in die Rotorzellen 18 und die Expansion aus diesen durch die Düsen 38 erzeugt den letzten Schub des Zyklus. Bei der hier beschriebenen Anordnung sind die Schaufeln 27 der Rotorzeilen tatsächlich um den gesamten Rotor 17 herum vorgesehen, jedoch wurden in den Zeichnungen auf der Strecke der Kaltgaseinlaßöffnung 12 und der

ίο Heißgasöffnung 31 die Schaufeln 27 weggelassen, um diesen Bereich zur Erläuterung der Phänomene der primären und reflektierten Druckwelle freizulassen. Abgesehen von den Wirkungen der Reibung an den Wandungen zeigt das fortschreitende, nicht plötzliche Freigeben der Einlasse und Auslässe jeder Rotorzelle bezüglich der verschiedenen Einlaß- und Auslaßöffnungen die Neigung, die Gastrennfronten, Druckwellen, reflektierten Druckwellen und Expansionswellen in jeder Rotorzelle parallel zu den in den F i g. 2 und 6 veranschaulichten Richtungen auszubilden.

Es wird zunächst angenommen, daß zunächst die Rotorzellen 18 expandiertes oder restliches Heißgas enthalten, welches am Ende des vorausgehenden Arbeitszyklus zurückbleibt. Während sich der die Kompressions- und Expansionsstufe bildende Rotor 17 dreht (oder sich in der abgewickelten Ansicht gemäß F i g. 2 scheint nach oben zu bewegen), werden die Einlaßöffnungen der Rotorzellen 18 zur Einlaßkammer 11 über die Kaltgaseinlaßöffnung 12 geöffnet, und

folglich wird das Kaltgas, welches im Rahmen der vorliegenden Beschreibung Luft ist, in die Rotorzellen 18 geleitet. Aus der oben stehenden Beschreibung soll in Erinnerung gebracht werden, daß die Kaltgaskammer 11 durch das Gebläse 15 beschickt wird und folglich den

gleichen oder einen geringfügig höheren Druck als das in den Rotorzellen verbleibende restliche Heißgas aufweist. Die kalte Luft tritt in die Rotorzellen ein und löst einen Spülvorgang aus, welcher die restlichen Heißgase durch die Düsen 38 der Rotorzellen und nach außen durch die Auspufföffnung 19 in die Auspuffkammer 20 austreibt.

Die Trennfront zwischen dem von der Einlaßkammer eindringenden Kaltgas und den restlichen Heißgasen in den Rotorzellen ist durch die strichpunktierte Linie 42

dargestellt und wird im folgenden als Kaltgas/Heißgas-Trennfront 42 bezeichnet. Es ist ersichtlich, daß die Trennfront 42 einen Richtungswechsel aufweist, der am Eingang zu den Düsen 38 der Rotorzellen beginnt Dieser Richtungswechsel der Kaltgas/Heißgas-Trenn-

front 42 am Eingang der Düse beruht auf der größeren Geschwindigkeit der Gase durch die Düsen 38 im Vergleich mit ihrer Geschwindigkeit durch der Hauptabschnitt einer Rotorzelle 18. Die in Fig.2 veranschaulichte Trennfront 42 zeigt die offensichtliche

stationäre Stellung der Trennfront vom Standpunk) eines Beobachters am Rotorgehäuse 29. Trotz dei offensichtlich festgelegten Stellung der Trennfront bewegen sich die Gase auf beiden Seiten der Trennfroni und die Trennfront 42 selbst mit hoher Geschwindigkeit

durch die Rotorzellen und die Düsen der Rotorzellen Trotz der hohen Geschwindigkeiten dieser Gase durcli die Rotorzellen und die Düsen der Rotorzellen kann die Trennfront 42 durch die Drehung des Rotors stationäi erscheinend gemacht werden.

In dem Moment oder kurz nachdem die Trennfront 42 den Ausgang der Düse erreicht, ist der Spülvorgang und Ansaugvorgang des Arbeitszyklus beendet und eine fortgesetzte Drehung des die Kompressions- und

Expansionsstufe bildenden Rotors 17 bewirkt, daß die Ausgänge der Düsen durch die Wandung 43 des Gehäuses 29 geschlossen werden. Das Schließen der Düsen des Rotors bringt das Kaltgas, welches durch die Einlaßöffnung 12 aus der Einlaßkammer U eingetreten ist, zur Ruhe. Durch dieses Anhalten des Kaltgasstroms wird eine Druckwelle 44 erzeugt, welche stromaufwärts in Richtung des Einlasses der Rotorzelle fortschreitet. Das Kaltgas strömt jedoch weiter von der Einlaßkammer 11 in die Rotorzellen, während in jeder Rotorzelle, die durch die Wandung 43 verschlossen wurde, sich eine Druckwelle dem Einlaß der Rotorzelle nähert. Wenn die Druckwelle 44 in einer Rotorzelle den Einlaß der Rotorzelle erreicht, ist die zeitliche Abstimmung der Drehung des Rotors 17 derart, daß der Einlaß der Rotorzelle durch die Wandung 45 verschlossen wird. Durch dieses Schließen wird die umgekehrte Strömung von Kaltgas 46 höheren Druckes (komprimiert durch die Druckwelle 44) zurück in die Einlaßkammer 11 verhindert, und es wird gleichzeitig verhindert, daß eine nachteilige Expansionswelle in die Rotorzelle reflektiert wird. Durch dieses zeitlich gut abgestimmte Schließen wird die Menge des in der Rotorzelle eingeschlossenen Kaltgases beim Höchstwert gehalten. An diesem Arbeitspunkt ist das Kaltgas in der Rotorzelle teilweise komprimiert und der Druck des teilweise komprimierten Kaltgases 46 liegt höher als der des Frischgases 47, welches von der Einlaßkammer 11 eintritt.

Bei einer im offenen Zyklus arbeitenden Antriebsturbine sehr einfacher Bauart, bei der sowohl die Einlaßkammer als auch die Auspufföffnungen bei atmosphärischem Druck befindlich sind, kann dafür gesorgt werden, daß die oben beschriebenen Spül- und Ansaugphasen als Resultat der Pumpwirkungen der sich bewegenden schraubenlinienförmigen, spiralförmigen oder helikoidalen Kammern eines die Kompressionsund Expansionsstufe bildenden Rotors auftreten. Diese Pumpwirkung kann mit besonders gutem Wirkungsgrad in Verbindung mit der Ausführungsform der konvergierenden-divergierenden Düsen (die im folgenden noch näher erläutert wird) angewandt werden, wobei der divergierende Abschnitt der Düse als unter Schallgeschwindigkeit arbeitender Diffusor während des Spülvorganges arbeitet. Bei komplexeren Ausführungsformen der Antriebsturbine nach vorliegender Erfindung kann der Druck in der Einlaßkammer U erheblich über den Druck in der Auspufföffnung erhöht werden, und zwar mittels des obenerwähnten mechanisch getriebenen Gebläses 15, oder eines Turboladers, einer Staudruck- oder Kompressionseinrichtung, wie sie bei Flugzeugen verwendet wird, oder Kombinationen oben stehender Einrichtungen bzw. anderer zweckdienlicher Mittel.

Bisher wurde nun der Spülvorgang der restlichen Heißgase wie auch das Ansaugen und die teilweise Kompression des Kaltgases, d.h. der Ansaugluft, im Falle von Ausführungsformen, die im offenen Zyklus arbeiten, beschrieben. Nach Abschluß der Spül- und Ansaugphase des Arbeitszyklus öffnet die fortgesetzte Drehung des die Kompressions- und Expansionsstufe bildenden Rotors 17 die Einlasse der Rotorzellen fiber die Heißgaseinlaßöffnung 31 von der Heizkammer 22. Durch dieses öffnen wird eine Trennfront oder Grenzfläche 48 zwischen dem Heißgas 49 hoher Temperatur und hohen Druckes aus der Heizkammer 22 und dem vergleichsweise kalten, teilweise verdichteten Gas 46, welches in den Rotorzellen eingeschlossen ist, erzeugt Wie bereits oben in Verbindung mit der

Trennfront 42 erläutert, ist die Trennfront 48 als strichpunktierte Linie veranschaulicht, welche eine stationäre räumliche Beziehung in einer Anzahl von Rotorzellen darstellt. Dies stellt die Lage der Trennfront 48 dar, welche beobachtet werden könnte, falls die Trennfront markierbar wäre und der Betrachter oberhalb des Gehäuses bezüglich Fig.2 befindlich wäre. Die Trennfront 48 bleibt in der gleichen Stellung bezüglich des Gehäuses 29. Diese Trennfront bewegt

ίο sich jedoch tatsächlich schnell durch die Rotorzellen, wobei die Orientierung der Trennfront bezüglich des Gehäuses durch die anfängliche Richtung des Einströmens heißer Gase (in diesem Falle axial) durch die öffnung 31 das Druckverhältnis zwischen Heißgas 49 und teilweise verdichtetem Gas 46 und die Eigengeschwindigkeit der Rotorzelle bestimmt ist.

Wegen des anfänglichen Druckunterschiedes bezüglich dieser Trennfront, welche bei Betriebszuständen des Auslegungspunktes dem Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem eingeschlossenen, teilweise verdichteten Kaltgas 46 in den Rotorzellen und dem Heißgas 49 hoher Temperatur, welches durch die Heißgaseinlaßöffnung 31 strömt, entspricht, wird eine zweite Druckwelle 50 erzeugt, welche sich, ausgehend vom Rotorzelleneinlaß, durch das teilweise verdichtete Kaltgas fortpflanzt. Diese Druckwelle 50, die sich schneller bewegt als die Trennfront 48 zwischen Heißgas und verdichtetem Kaltgas, durchläuft die Länge der Rotorzelle und erhöht hierbei nochmals den Druck des teilweise verdichteten Kaltgascs in der Rotorzelle. Die Druckwelle 50 ist in Fi g. 2 in einer räumlichen Beziehung oben beschriebener Darsteilungsweise veranschaulicht. Die Druckwelle 50 ist bezüglich des Gehäuses 29 ortsfest, bewegt sich jedoch mit hoher Geschwindigkeit bezüglich der Rotorzellen 18.

Wenn die Druckwelle 50 den verengten Bereich der Rotorzelle erreicht, welcher den Eingang zu der konvergierenden Düse 38 der Rotorzelle (oder der konvergierenden-divergierenden Düse 41 bei einer abgewandelten Ausführungsform) bildet, wird eine reflektierte Druckwelle 51 erzeugt. Die Stiirke der reflektierten Druckwelle hängt von der verringerten Querschnittsfläche der Düsenöffnung im Vergleich mit der Querschnittsfläche der Rotorzelle, von der Rotorgeschwindigkeit, der Temperatur der Heißgase und dem Anstellwinkel der Rotorschaufeln ab. Die reflektierte Druckwelle 51 bewegt sich schnell durch das nunmehr verdichtete Kaltgas 52 und durch die einströmenden Heißgase 49 zu diesem stromaufwärts in Richtung des Einlasses der Rotorzellen. Es soll darauf hingewiesen werden, daß, was auch für die Beschreibungen der anderen bereits erwähnten Wellen und Trennfronten zutrifft die reflektierte Druckwelle 51 in einer räumlichen Beziehung dargestellt ist d.h. ortsfest bezüglich des Rotorgehäuses, obwohl sie sich mit hoher Geschwindigkeit durch die Rotorzellen 18 bewegt Addiert man die Eigengeschwindigkeit der Ratorzellen zu der Geschwindigkeit der Druckwelle durch die Zellen, so wird der Vektor der reflektierten Druckwelle in die in F i g. 2 veranschaulichte Stellung gedreht wo er als ein konstanter Vektor bezüglich des Rotorgehäuses erscheint

Die reflektierte Druckwelle 51 vergrößert beim Durchlaufen der Rotorzelle nochmals den Druck dei Kaltgase 53 und der Heißgase 54, die! hinter dei reflektierten Drückwelle liegen. Es ist zu sehen, daß eine Änderung der Orientierung der reflektierten Druckwel Ie 51 an der Trennfront 48 zwischen Heißgas und kalten

SKQ

ve/dichteten Gas aui Grund de·· im Vergleich mit der Geschwindigkeit der reflektierten Druckwelle in dem verdichteten Kaltgas 52 größeren Geschwindigkeit der reflektierten Druckwelle in dem Heißgas 49 auftritt Ferner tritt eine Änderung der Orientierung der Trennfront 48 zwischen Heißgas und verdichtetem Kaltgas an deren Schnittpunkt mit der reflektierten Druckwelle 51 auf. Diese Änderung der Orientierung erfolgt auf Grund der verringerten Strömungsgeschwindigkeit dos verdichteten Kaltgases 53 und des Heißgases 54 durch die Rotorzelle nach dem Durchgang der reflektierten Druckwelle 51. Es ist ferner zu sehen, daß auf Grund der größeren Geschwindigkeit der Gase durch die Düse 38 im Vergleich mit der Geschwindigkeit durch die Rotorzelle 18 eine weitere Änderung der Orientierung der Trennfront 48 zwischen Heißgas und verdichtetem Kaltgas am Eingang zur Düse auftritt

Als Ergebnis der Wirkungen der Druckwellen 44 und 50 und der reflektierten Druckwelle 51 wird der Druck des vergleichsweise kalten Gases 53 in der Rotorzelle auf den im Arbeitszyklus der Antriebsturbine erreichten Maximaldruck erhöht. Der Druck des Heißgases 54 in der Rotorzelle, welches ebenfalls der reflektierten Druckwelle 51 ausgesetzt wurde, liegt obwohl er durch die reflektierte Druckwelle erheblich erhöht wurde, etwas unter dem Druck des Kaltgases 53, da die reflektierte Druckwelle 51 in ihrer Stärke etwas verringert ist nachdem sie die Trennfront 48 zwischen Heißgas und verdichtetem Kaltgas durchlaufen hat und ihre Bewegung in Richtung der Ansaugöffnung der Rotorzelle fortsetzt. An diesem Punkt im Arbeitszyklus jedoch ist der Druck des Heißgases 54 hinter der reflektierten Druckwelle 51 auf ein Niveau angehoben, welches erheblich höher liegt als das des Heißgases 49 in der Heizkammer 22, wobei es jedoch gleichzeitig unter dem Druck des verdichteten Kaltgases 53 in der Rotorzelle bleibt

In dem Zeitpunkt oder nahe dem Zeitpunkt, in dem die Druckwelle 50 eine Düse 38 einer Rotorzelle erreicht, bringt die fortgesetzte Drehung des als Kompressions- und Expansionsstufe dienenden Rotors 17 jeden Auslaß einer Düse der Rotorzelle in Flucht mit der Auslaßöffnung 32 für die verdichteten Kaltgase, der in die Hochdruckkaltgaskammer 33 und von hier (über die Leitung 55 un; den Rotor) auf die Einlaßseite der Heizkammer 22 führt. Dies ist unter Bezugnahme auf Fig.4 besser ersichtlich, wo die öffnung 32, die Kammer 33, die Leitung 55 und die Heizkammer 22 sämtlich veranschaulicht sind und der Strömungsweg des Hochdruckkaltgases 53 aus der Düse 38 der Rotorzelle euf die Einlaßseite der Heizkammer 22 dargestellt ist. Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsturbine ist wahlweise ein Wärmetauscher 56 vorgesehen und derart angeordnet, daß die ausgespülten oder verbleibenden Heißgase zum Vorheizen der Hochdruckkaltgase, die durch die Leitung 55 strömen, verwendet werden, ehe diese in die Heizkammer 22 eintreten.

Wie ferner aus F i g. 4 ersichtlich, kann das überschüssige Hochdruckkaltgas 53 (oder Luft), welches nicht durch die Heizkammer 22 gebraucht wird, um den Betrieb der erfindungsgemäßen Antriebsturbine aufrechtzuerhalten, durch ein Rückschlagventil 57 und eine Leitung 58 in einen Hochdruckspeichertank 59 geleitet werden, um in Verbindung mit einem Hochdruckgas-(oder Luft-)System verwendet zu werden, oder es kann durch zweckdienliche Leiiungs- und Schlauchanschlüsse verwendet werden, um unmittelbar üblichen Zwecken zugeführt zu werden, wie beispielsweise Druckluft-Werkzeuge und -Anlagen, pneumatische Starter, Luftturbinen. Fahrzeugreifen, pneumatische Federn, pneumatische Bremsen, Steuermotoren, Klimaanlagen usw. zu versorgen.

Ein wichtiger Gesichtspunkt der Expansion und des Ausstoßens des Hochdruckkaltgases 53 liegt in der bei diesem Vorgang getanen Arbeit Die Expansion und das Ausstoßen des Hochdruckkaltgases 53 aus den Rotorzeilen 18 durch die Düsen 38 der Rotorzellen erfolgt in einer Richtung, die eine relative Geschwindigkeitskomponente aufweist weiche der Bewegungsrichtung des die Kompressions- und Expansionsstufe bildenden Rotors 17 entgegengerichtet ist Das Ausstoßen der vergleichsweise kühlen, im Höchstmaße verdichteten Gase 53 ist eine arbeitserzeugende Expansion hohen Wirkungsgrades und liefert über einen großen Bereich von Rotorgeschwindigkeiten einen Beitrag zu dem erzeugten positiven Drehmoment, wobei ebenfalls mit hohem Wirkungsgrad der durch die reflektierte Druckwelle 51 in dem Kaltgas 53 erzeugte Druck genutzt wird. Dieser Beitrag ist dadurch möglich, daß die Düsen 38 in den Rotorzellen vorgesehen sind, welche gleichzeitig die reflektierte Druckwelle 51 erzeugen und die Strömung c ^s Hochdruckkaltgases 53 aus der Rotorzelle steuern. Diese Reaktionswirkung wird durch die konvergierenden Düsen 38 oder, wie dies im folgenden noch näher erläutert wird, durch konvergierende-divergierende Düsen 41 erzeugt, welche wirksam sind, die Geschwindigkeit der ausströmenden Hochdruckkaltgase über deren Geschwindigkeit in den Rotorzellen hinaus zu erhöhen.

Wie aus Fig.2 ersichtlich, ist das Rotorgehäuse ferner derart ausgebildet, daß zum oder nahe am Zeitpunkt, wo die reflektierte Druckwelle 51 den Einlaß der Rotorzelle erreicht, dieser Einlaß durch die Wandung 60 verschlossen wird. Dieses Verschließen erfolgt, da der die Kompressions- und Expansionsstufe bildende Rotor 17 kontinuierlich dreht und seine Drehung unter den Betriebsbedingungen des Konstruktionspunktes derart ist, daß, wenn die reflektierte Druckwelle 51 die Einlaßöffnung 21 der Rotorzelle (in welcher das Phänomen auftritt) erreicht, sich diese Einlaßöffnung in den Bereich oder gegenüber der Wandung 60 bewegt hat. Da die Einlaßöffnung der Rotorzelle durch die Wandung 60 des Gehäuses verschlossen wird, wird eine Verringerung des Druckes der durch die Druckwelle verdichteten Heißgase in der Rotorwelle verhindert. Während des Zeitabschnitts, in dem die reflektierte Druckwelle 51 eine Rotorzelle 18 durchläuft, setzen die Heißgase 49 ihre Strömung durch die öffnung 31 in die Rotorzelle 18 fort, wodurch die Füllung an in die Rotorzelle eingespeisten Heißgasen maximiert wird. Im oder nahe am Zeitpunkt, in dem die Trennfront 48 zwischen Heißgas und verdichtetem Kaltgas den Auslaß der Düse der Rotorzelle erreicht, wird dieser Auslaß der Düse durch die Wandung 61 verschlossen, wodurch eine Druckwelle 62 erzeugt wird. Dieses Verschließen erfolgt wiederum wegen der fortgesetzten Drehung des die Kompressions- und Expansionsstufe bildenden Rotors 17. In Fig.2 ist ferner eine Expansionswelle (oder Fächer) 63, 64 veranschaulicht, welche durch die ursprünglich ausgelöste Welle 63 und die endgültige Welle 64 begrenzt wird. Über den Expansionsfächer erfolgt ein kontinuierlicher Abfall des Gasdruckes von der Welle 63 zur Weile 64. Der Expansionsfächer 63 wird dadurch erzeugt, daß sich die Gase in der Rotorzelle bei einer bestimmten

jeschwindigkeii in Richtung der Düse der Rotorzelle >ewegen und zu dem Zeitpunkt, an dem der Einlaß der fcotorzeile verschlossen wird, plötzlich angehalten werden. Die Druckwelle 62 wird in der gleichen Weise wie die ursprüngliche Druckwelle 44 erzeugt, d. h. indem die Gasströmung aus der Düsenöffnung plötzlich abgeschaltet wird, was in diesem fall durch die Wandung 61 erfolgt Die Druckwelle 62 zeigt die Neigung, den Expansionsfächer 63,64 zu versetzen oder zu beenden. Die kombinierte Wirkung des Expansioosfächers 63, 64 und der Druckwelle 62 liegt darin, die Gase in der Rotorzelle zeitweilig in Ruhe zu versetzen.

Während der Expansion oder des Abblasens der hochverdichteten Kaltgase 53 aus dem Rotor, stellt der Vorgang der Expansion oder des Abblasens der hochverdichteten Heißgase 54 normalerweise den bedeutsamsten Beitrag zu dem Rotordrehmoment dar und folglich auch zu der durch einen derartigen Motor erzeugten Leistung. In diesem Zusammenhang wird auf die F i g. 5 und 6 Bezug genommen. In den F i g. 5 und 6 wurden die Schaufeln 27 wiederum im größten Teil der Zeichnungen weggelassen, um die Erläuterung zu vereinfachen.

In Fig.5 sind vier Stufen der Rückführung und Expansion in einem Sektor der erfindungsgemäßen, auf dem reflektierten Druckwellenprinzip arbeitenden Gasturbinenanlage gezeigt. Die Expansionsöffnungen sind durch den Buchstaben £, wie beispielsweise 34£, gekennzeichnet und die Rückführungsöffnungen sind mit einem R, wie beispielsweise 34/?, gekennzeichnet. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Expansionsöffnung 34£ über eine Leitung (nicht dargestellt) um das Äußere des Rotors herum mit der in F i g. 5 veranschaulichten Rückführungsöffnung 34/? verbunden ist. In ähnlicher Weise ist jede der Expansionsöffnungen über eine Leitung mit einer Rückführungsöffnung verbunden, die ein entsprechendes Bezugszeichen trägt. Beispielsweise ist die Expansionsöffnung 35£ mit der Rückführungsöffnung 35/?, die Expansionsöffnung 36£ mit der Rückführungsöffnung 36/? und die Expansionsöffnung 37E mit der Rückführungsöffnung 37R verbunden. Um den Zusammenhang der F i g. 5 und 6 zu den anderen Figuren der Zeichnungen zu erläutern, wird darauf hingewiesen, daß die am weitesten unten veranschaulichte Auslaßöffnung 32 die gleiche ist wie die Hochdruckkaltgasauslaßöffnung 32, die in den F i g. 1 bis 4 in anderem Maßstab veranschaulicht ist. Gleichermaßen ist die Heißgaseinlaßöffnung 31 in den F i g. 5 und 6 die gleiche wie die Heißgaseinlaßöffnung 31 in den F i g. 1 bis 4, obwohl die Abmessungen wiederum etwas unterschiedlich sind. Es ist zu sehen, daß die Größen der Expansionsöffnungen ME, 35E, 36£ und 37£ fortschreitend zunehmen. Das gleiche trifft für die entsprechenden Rückführungsöffnung sn 34/?, 35/?, 36/? und 37/? zu. Die fortschreitende Zunahme der Größen der öffnungen in einer Richtung nach oben (d. h. die Drehrichtung) in den F i g. 5 und 6 dient dazu, den fortschreitend größeren Anteil der Gesamtheißgasströmung wie auch das expandierte Volumen der Heißgase in jeder aufeinanderfolgenden Stufe aufzunehmen. Die veranschaulichten Expansionsöffnungen sind typischerweise derart, wie sie wirksam für aufeinanderfolgende Expansionsstufen bei einem Einzelrotor einer Antriebsturbine nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, der ein Drehmoment erzeugt und bei dem Rückführungen verwendet werden, um die Rotorzellen neu zu füllen, wobei die Rpaktionskräfte der Gase, die durch die Düsen in den Rotorzellen expandiert werden, zum Antrieb des Rotors dienen. Die endgültige Expansion des Heißgases und die entsprechende Reaktion des Rotors tritt bei der Strömung durch die Düsen in die Auspufföffnung 19 auf.

An diese Stufe schließt sich eine Strömung von kaltem Spülgas an, welches durch die Einlaßöffnung 12 in die Zellen eintritt Das öffnen des Einlasses der Zellen zu der Kaltgaseinlaßkammer 11 über die Kaltgaseinlaßöffnung 12 mit den öffnungen 14 löst den nächsten

ίο Arbeitszyklus aus, der die oben beschriebenen Schritte durchläuft

Eine alternative Ausführungsform, welche den Expansionsvorgang veranschaulicht ist in drei typischen Rückführungsstufen in Fig.6 gezeigt In Fig.6 sind wiederum, um eine Übereinstimmung zwischen allen Zeichnungen herzustellen, die Hochdruckkaltgasauslaßöffnung 32 und die Heißgaseinlaßöffnung 31 in der abgewickelten Ansicht vorgesehen. In Fig.6 sind die Abmessungen und örtliche Festlegung der Expansionsöffnungen 34£, 35£ und 37£ und der Rückführungsöffnungen 3AR, 35R und 37R derart gewählt, daß bei Betriebsbedingungen am Auslegungspunkt die zeitlich abgestimmte Ankunft der hauptsächlichen Expansionswellen zu der wirksamen Strömung der expandierenden Heißgase beiträgt. Die Expansionsöffnung 36£ und die Rückführungsöffnung 36/? sind in F i g.-6 nicht vorgesehen, da hier lediglich drei Rückführungsstufen enthalten sind. Wie bereits zuvor erwähnt, kann eine Expansionswelle entweder durch Beendigung einer bestehenden, nach innen gerichteten Strömung an deren Ausgangspunkt oder durch Auslösen einer nach außen gerichteten Strömung in einen Bereich niedrigeren Druckes erzeugt werden. Die erste Art von Expansionswelle bringt das sich bewegende Gas zur Ruhe und beginnt hierbei am Punkt der nach innen gerichteten Strömung, während die zweite Art von Expansionswelle die Strömung durch einen Auslaß einleitet oder beschleunigt. Es soll darauf hingewiesen werden, daß eine Druckwelle eine einzige Welle einer Druckunstetigkeit ist, während eine Expansionswelle ein Bereich von sich kontinuierlich ändernden Drücken ist. Die durch eine derartige Expansionswelle eingenommene Zone wird manchmal als Expansionsfächer bezeichnet. In F i g. 5 sind keine Expansionsfächer veranschaulicht. In F i g. 6 sind die Expansionsfächer aus Gründen der Einfachheit als einzelne Linien dargestellt, da jeder der durch den Fächer eingeschlossenen Winkel sehr klein ist.

In F i g. 6 ist der in Verbindung mit F i g. 2 beschriebene Expansionsfächer 63,64 aus Gründen der Einfachheit als einzelne Linie 63 veranschaulicht. Diese Expansionswelle wurde durch Beendigung der vorhandenen Heißgiisströmung durch die öffnung 31 ausgelöst, als die 2IeIIe durch die Wandung 60 verschlossen wurde. Folglich ist der Expansionsfächer 63 von der ersten der obenerwähnten Arten. Die in Fig.6 veranschaulichten Expansionsfächer oder -wellen sind nicht mit Kniickstellen an den Düsen dargestellt, da die Zeichnung im verkleinerten Maßstab vorliegt, obwohl derartige Wellen eine Knickstelle an den Eingängen dei Expansionsdüsen haben, ähnlich wie eine derartige ir F i g. 2 dargestellt ist. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, wird wenn die Expansionsdüse der Zelle durch die Wandung 61 verschlossen wird, eine Druckwelle 62 erzeugt welche die Neigung zeigt, die Wirkung der Druckverrin gerung des Expansionsfächers 63 aufzuheben. Di< kombinierte Wirkung dieser beiden liegt dann darin, di< Heißgase in der Rotorzelle zu einem zeitweiligen Hai zu bringen. Unmittelbar nachdem der Auslaß de

Expansiorisdüse der Rotorzelle zur Expansionsöffnung 34£ geöffnet wird, wird hierdurch eine Expansionswelle 65 (vgl. F i g. 6) der zweiten Art ausgelöst Dadurch tritt eine nach außen gerichtete Strömung von Heißgasen durch die Expansionsöffnung 34£ in einem Bereich geringeren Druckes auf. Wie ferner aus Fig.6 ersichtlich, wandert die Expansionswelle 65 stromaufwärts in Richtung der Wandung 60 zu einer Stelle irgendwo zwischen der Heißgaseingangsöffnung 31 und der ersten Rückführungsöffnung 34/?. Da die Heißgase eine Geschwindigkeit in Richtung der Expansionsdüse der Rotorzelle aufweisen, setzen sie ihre Strömung in dieser Richtung selbst dann fort, wenn die Expansionswelle 65 die Wandung 60 erreicht und erzeugen dadurch eine reflektierte Expansionswelle 66. Die Gase jedoch, die durch die V/andung 60 begrenzt werden, die reflektierte Expansionswelle 66 und die Expansionswelle 67 müssen bezüglich der Rotorzelle zur Ruhe kommen, während die Gase, die zwischen der reflektierten Expansionswelle 66 und der Expansionsdüse der Rotorzelle sind, ihre Strömung nach außen durch die Expansionsdüse fortsetzen, bis die reflektierte Expansionswelle 66 die Expansionsdüse erreicht. Da der Rotor 17 seine Drehung fortsetzt, werden die Auslässe der Expansionsdüsen der Rotorzellen zur Expansionsöffnung 35£ geöffnet und folglich eine weitere Expansionswelle 67 erzeugt. Die Expansionswelle 67 durchläuft die Rotorzelle und kommt im Idealfall am Einlaß der Rotorzelle dann an, wenn der Einlaß der Rotorzelle zur Rückführungsöffnung 34/?geöffnet wird. Die Wirkung der E'.xpansionswelle 67 liegt darin, den Druck der Rotorzelle auf ein niedrigeres Niveau zu senken. Das teilweise entspannte Heißgas, welches aus der Expansionsöffnung 34£ in Leitungen geführt wird, fließt somit durch die Rückführungsöffnung 34/? und (ritt in die zur öffnung 34/? geöffneten Rotorzellen ein.

Die Heißgase höheren Drucks (jedoch teilweise entspannt) aus der Rückführungsöffnupg 34/? können beim Eindringen in die Rotorzellen, falls eine Fehlanpassung von Druck und Geschwindigkeit mit den darin befindlichen Gasen vorliegt, eine Druckwelle oder eine Expansionswelle erzeugen, welche sich in die Rotorzellen fortpflanzt, während die Strömung durch die Rotorzelle in Richtung der zweiten Expansionsöffnung 35£ fortgesetzt wird. Mittlerweile wird durch die fortgesetzte Drehung des Rotors der Einlaß der Rotoirzelle durch die Wandung 68 geschlossen und hierdurch eine Expansionswelle 69 erzeugt, die aus dem plötzlichen Anhalten der nach innen gerichteten Strömung der Heißgase herrührt. Die Expansionswelle 69 durchläuft die Rotorzelle und kommt am Auslaß der Expansionsdüse der Rotorzelle zum gleichen Zeitpunkt an, an dem die Expansionsdüse der Rotorzelle zur Eixpansionsöffnung 37£ geöffnet wird. Wenn die Expansionsdüse der Rotorzelle zur Expansionsöffnung 37£geöffnet wird, wird eine Expansionswelle 70 von der zweiten Art erzeugt und die Expansionswelle 70 wandert stromaufwärts durch die Rotorzelle. Im Idealfall wird ;:u dem Zeitpunkt, in dem die Expansionswelle 70 an der Wandung 68 anlangt, der Einlaß der Rotorzelle zur Rückführungsöffnung 35/? geöffnet, welche das in Leitungen von der Expansionsöffnung 35£ zugeführte, zum zweiten Mal entspannte Gas führt. Die Wirkung der lixpansionswelle 70 verringert wiederum den Druck in c er Rotorzelle und ermöglicht es, daß das 6$ doppelt entspannte Heißgas aus der Rückführungsöffnung 35/? in die Rotorzellen einströmt. Diese einströmenden Heißgase erzeugen ebenfalls eine Druckwelle oder eine Expansionswelle in die Rotorzelle hinein in der für die vorangehende Rückführungsstufe beschriebenen Weise. Die Heißgase strömen durch die Rotorzellen in die Expansionsöffnung 37£ Als Folge jeder Expansion und des Ausströmens der Heißgase aus der Rotorzelle durch die Expansionsdüsen der Rotorzelle erzeugt die Reaktion ein Drehmoment am Rctor. Die Strömung der doppelt entspannten Heißgase in die Rotorzellen für eine dritte Expansion durch die Expansionsöffnung 37£wird fortgesetzt. Wenn sich der Rotor 17 zu einem Punkt bewegt, wo der Einlaß der Rotorzelle durch eine Wandung 71 verschlossen wird, wird eine weitere Expansionswelle 72 der ersten Art erzeugt, welche die Rotorzelle in Richtung des Auslasses der Expansionsdüse der Rotorzelle durchläuft. Die Expansionswelle 72 kommt an dem Auslaß der Expansionsdüse zu dem Zeitpunkt an, in dem dieser Auslaß zur Auspufföffniutg 19 geöffnet ist. Das öffnen des Düsenauslasses der Rotorzelle zur Auspufföffnung 19 erzeugt eine Expansionswelle 73 in einer Weise ähnlich der Erzeugung der Expansionswellen 65,67 und 70. Die Expansionswelle 73 durchläuft die Rotorzelle stromaufwärts und kommt im Idealfall an der Kante der Wandung 71 gleichzeitig zu dem Zeitpunkt an, in dem der Einlaß der Rotorzelle zur Rückführungsöffnung 37/? geöffnet wird. Die Expansionswelle 73 bewirkt, daß die Gase in der Rotorzelle nochmals in ihrem Druck verringert werden, so daß die Gase (die bereits dreimal entspannt wurden) aus der Rückführungsöffnung 37/? in die Rotorzelle eindringen und ihre Strömung durch die Rotorzelle fortsetzen. Im Verlauf der Endstufe der Expansion und Reaktion strömen die Heißgase durch die Expansionsdüsen der Rotorzelle in die Auspufföffnung 19. Nach der endgültigen Expansion der Heißgase in die Auspufföffnung 19 tritt Kaltgas aus der Einlaßkammer 11 in die Rotorzelle durch die öffnung 12 mit den Öffnungen 14 ein und löst hierdurch den nächsten oben beschriebenen Arbeitszyklus aus. Je nach Abmessungen des Rotors und der Anzahl der vorgesehenen Rückführungsöffnungen können zwischen den Expansionswellen Druckwellen auftreten. Der Grund dafür liegt darin, daß der Druck der wieder eintretenden Heißgase verschieden zum Druck der bereits in der Rotorzelle befindlichen Heißgase ist. Die rückgeführten Gase halten eine Füllung von Heißgasen in den Rotorzellen aufrecht und erzeugen ein zusätzliches Drehmoment durch wiederholte Reaktion der Heißgase an den Expansionsdüsen der Rotorzellen an den verschiedenen Ausgängen, wobei gleichzeitig Impulse durch die wieder eintretende Strömung der Heißgase auf die Rotorschaufeln ausgeübt werden.

Die oben beschriebenen Expansionsvorgänge, bei denen eine Anzahl von Rückführungsstufen verwendet wird, nutzen einen einzigen Rotor mit hohem Wirkungsgrad, um sämtliche Arbeitsphasen der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage durchzuführen, die auch als integrierter Turbokompressor-Wellenmotor bezeichnet werden könnte. Unter bestimmten Umständen kann es erforderlich sein, die Gesamtabmessungen des Rotors zu begrenzen. In einem derartigen Fall kann es für vorteilhaft gehalten werden, lediglich die erste Expansionsstufe und/oder die erste oder die ersten paar Rückführungsstufen an dem Rotor vorzunehmen. Die restlichen Expansionsstufen für das teilweise entspannte Heißgas, welches an diesem Punkt eine niedrigere Temperatur aufweist, können leicht auf einem getrenn- :en Turbinenrad an Stelle der wiederholten Expansionen durch den Rotor selbst durchgeführt werden. Ein

C——-——

derartiges Zusatzturbinenrad kann mit der gleichen Art von Schaufelbestückung, wie der die Kompressionsstufe und Expansionsstufe bildende Rotor ausgeführt werden, um die Rückführungs- und Expansionsstufen in der gleichen Weise, wie oben beschrieben, ablaufen zu lassen oder alternativ dazu kann das Zusatzturbinenrad eine übliche Schaufelbestückung einer Aktionsturbine oder Reaktionsturbine aufweisen. Das getrennte Turbinenrad kann entweder auf mechanischem Wege durch eine Welle, ein Getriebe, einen Kettentrieb, einen ,o Riementrieb oder andere Einrichtungen mechanisch mit dem die Kompressions- und Expansionsstufe bildenden Rotor gekoppelt sein oder es kann freilaufend ausgebildet sein und durch eine getrennte Steuereinrichtung gesteuert sein. Ein Beispiel der letztgenannten Art ist ein Turbolader zur Verwendung bei Turboprop- oder Turbojet-Flugzeugantrieben in großen Höhen. Nach Beendigung der Expansion mittels irgendwelcher der oben beschriebenen Einrichtungen läßt das öffnen der Einlaßöffnungen der Rotorzellen zu der Kaltgaskam mer 11 über die öffnung 12 eine nach innen gerichtete Strömung von Kaltgas zum Spülen ein, wodurch der nächste Arbeitszyklus ausgelöst wird. Die Wiederholung der aufeinanderfolgenden Phasen des Arbeitszyklus, nämlich Ansaugen und Spülen (Auspuff), Kompression und Expansion (Leistung) können als Ergebnis aufeinanderfolgender Durchgänge der Rotorzellen durch den gleichen Sektor auftreten, nämlich im Fall einer Antriebsturbine mit lediglich einem Sektor oder als Ergebnis des Durchganges der Rotorzellen durch die entsprechenden Phasen aufeinanderfolgender Sektoren, wie dies bei einer Antriebsturbine mit vielen Sektoren der Fall ist.

Die Rolle, welche die Expansionsdüsen 38 und 41 der Rotorzellen bei der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage spielen, ist von besonderer Wichtigkeit. Die Heißgase aus der Heizkammer 22 werden als Energiequelle wirksam, die den oben beschriebenen Kompressionsvorgang auf dem Rotor bewirkt. Nach Auslösen der Druckwelle 50 (vgl. F i g. 2) an der Trennfront 48 zwischen Heißgas und Kaltgas haben das Heißgas 49 und das Kaltgas 52 die gleiche Geschwindigkeit und denselben statischen Druck auf beiden Seiten der Trennfront. Folglich weist das Kaltgas einen höheren Staudruck als das Heißgas auf, und zwar auf Grund der höheren Dichte und der höheren Machzahl des Kaltgases im Vergleich mit der geringeren Dichte und kleineren Machzahl des Heißgases. Bei den hohen Umfangsgeschwindigkeiten, welche für die beschriebene erfindungsgemäße Gasturbinenanlage charakteristisch sind, ist die Geschwindigkeit des Heißgases und die Geschwindigkeit des Kaltgases in den Rotorzellen hoch. Je höher die Geschwindigkeit des Heißgases und des Kaltgeses ist, desto größer ist auch der Unterschied zwischen dem Staudruck des Kaltgases und dem Staudruck des Heißgases. Lediglich ein Teil dieser Staudruckdifferenz ist erforderlich, um die Strömung des Kaltgases zurück um die Strömungsschleife hervorzurufen, welche den Durchgang durch den Wärmetauscher 36 (F i g. 4) und durch die Heizkammer 22, welche das Heißgas erzeugt, einschließt. Der Rest dieser Staudruckdifferenz kann verwendet werden, um den Druck des Heißgases in der Rotorzelle zu erhöhen, so daß das Druckverhältnis der Antriebsturbine angehoben wird. Dies erfolgt mit sehr gutem Wirkungsgrad mittels der konvergierenden Expansionsdüsen 38 (oder konvergierenden-divergierenden Expansionsdüsen 41 bei der abgewandelten Ausführungsform) an der Auslaßseite der Rotorzellen. Diese Expansionsdüsen werden als Strömungshindernisse wirksam, welche eine reflektierte Druckwelle 51 erzeuge», die sich stromaufwärts durch das Kaltgas 52 und das Heißgas 49 in der Rotorzelle fortpflanzt. Gleichzeitig beschleunigen die Expansionsdüsen 38 oder 41 das ausströmende Kaltgas und richten die Strömung zum größten Teil entgegengesetzt zur Richtung der Rotordrehung, so daß der Rotor über einen großen Bereich von Umfangsgeschwindigkeiten nutzbare Arbeit abgibt. Selbst bei geringeren Aamrittsgeschwindigkeiten des Gases bezüglich der Drehung der Rotorzellen beschleunigen die Expansionsdüsen die Kaltgase, wodurch ein Drehmoment auf dem Rotor erzeugt wird. Durch die reflektierte Druckwelle 51 erzeugen die Expansionsdüsen gleichzeitig einen höheren Staudruck in dem Heißgas 54 (d. h. nachdem die reflektierte Druckwelle durch das Heißgas 49 hindurchgelaufen ist), falls dieser ohne die reflektierte Druckwelle erzielbar wäre, d. h. falls das Kaltgas ohne das durch die Expansionsdüsen gebildete Strömungshindernis expandieren dürfte. Der durch die Wirkung der reflektierten Druckwelle 51 in den Heißgasen erzeugte höhere Druck resultiert in einer größeren Dichte des Heißgases. So kann durch einen Rotor gegebener Größe eine größere Masse an Heißgasströmung durchgesetzt werden und bei einer gegebenen Geschwindigkeit mehr Kraft erzeugt werden als dies bei bekannten Antriebsturbinen möglich ist. Die Expansionsdüsen der Rotorzellen erlauben gleichzeitig eine höhere Eigengeschwindigkeit der Rotorzellen, da sie Mittel darstellen, um die Strömung mit einer größeren Austrittsgeschwindigkeit und einer größeren Tangentialkomponente abzugeben, so daß mit hohem Wirkungsgrad der durch die reflektierte Druckwelle 51 in dem Kaltgas 53 und dem Heißgas 54 erzeugte Hochdruck nutzbar gemacht wird.

Nach Eintritt in die Ausgangsöffnung 32 für Hochdruck-Kaltgas in dem Gehäuse weist das Kaltgas eine vergleichsweise niedrige Absolutgeschwindigkeit (bezüglich des Gehäuses) auf, jedoch gleichzeitig einen Druck, der hoch genug ist, um eine Strömung durch die Hochdruckkaltgaskammer 33, durch die Leitung 55, durch bedarfsweise vorgesehene Wärmetauscher 56 und in die Heizkammer 22 zu erzeugen. Nachdem das Kaltgas mittels Zuführung von Wärme aus der Verbrennung, einem Atomreaktor, Wärmetauschern oder anderen Quellen in Heißgas umgewandelt ist, tritt das resultierende Heißgas 49 in die Rotorzellen 18 ein, um den oben beschriebenen Arbeitszyklus zu vervollständigen.

Die Expansionsdüsen der Rotorzellen (vgl. Fig. I0A und 10B), welche bei der auf dem reflektierten Druckwellenprinzip arbeitenden Gasturbinenanlage nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können nach Art einer konvergierenden Düse 38 oder nach Art der konvergierenden-divergierenden Düse 41 ausgebildet sein. In jedem Fall weist der die Engstelle bildende Düsenhals 38/4 (konvergierende Düse) oder 39 (konvergierende-divergierende Düse) beider Expansionsdüsenarten eine kleinere Querschnittsfläche als der Hauptabschnitt der Rotorzelle auf. Der Ausgang 40 einer konvergierenden-divergierenden Expansionsdüse kann jedoch eine Querschnittsfläche haben, die kleiner, gleich oder größer als die Querschnittsfläche der Rotorzelle ist. Bei Verwendung einer konvergierendendivergierenden Expansionsdüse hängt die Wahl des Verhältnisses zwischen der Querschnittsfläche des Düsenausgangs und der Querschnittsfläche der Rotor-

zelle von den Druckverhältnissen, der angestrebten Austrittsgeschwindigkeit der Heißgase und den Diffusoreigenschaften ab, welche während der Strömung unter Schallgeschwindigkeit in dem divergierenden Abschnitt angestrebt werden. Die besondere Bedeutung einer konvergierenden-divergierenden Expansionsdüse liegt darin, daß diese Art von Düse mit gutem Wirkungsgrad eine über Schallgeschwindigkeit liegende Strömung von Hochdruckkaltgasen und Hochdruckheißgasen aus den Rotorzellen während bestimmter Teile der Expansion und des Abblasens erlauben, ohne die unter Schallgeschwindigkeit ablaufenden Phasen des Arbeitszyklus wesentlich zu behindern. Däe unter Schallgeschwindigkeit liegende Strömung des Gases tritt normalerweise während der Spülung (Auspuff) auf, kann jedoch auch während der Abgabe der Hochdruckkaltgase aus den Rotorzellen in die zu der Heizkammer 22 führende öffnung 32 für verdichtete Kaltluft auftreten. Ebenso kann während einiger Stufen der Expansion und des Abblasens der Heißgase eine unter Schallgeschwindigkeit liegende Strömung iiuftireten. Das Auftreten von Strömungsbedingungen, Überschallgeschwindigkeit oder Unterschallgeschwindigkeit bei frühen, zwischenliegenden oder letzten Expansionsstufen hängt von der Bauart: und den Betriebsbedingungen ab. Konvergierende-divergierende Expansionsdüsen haben den Vorteil, daß sie sich während der Spülphase des Arbeitszyklus als Diffusor verhalten und bei einigen Ausführungsformen das Erfordernis der Vorverdichtung des kalten Frischgases (Spülgases) verringern oder sogar überflüssig machen. Konvergierende-divergierende Expansionsdüsen können in Verbindung mit Leitflügeln oder Leitschaufeln (nicht dargestellt) in der Auspufföffnung 19, die als Diffusor dienen, verwendet werden, um den statischen Druck des Abgases zu vergrößern, wodurch ein ausreichender Druck zum Austreiben des Abgases zur Atmosphäre erzeugt wird.

Während der Hochdruckphase des Arbeitssiyklus verhalten sich die konvergierenden-divergierenden Expansionsdüsen als Strömungsbeschleuniger und Strömungsblenden sowohl für das durch Druckwellen verdichtete Kaltgas 53 (Fig.2) als auch für das druckwellenverdichtete Heißgas 54 und erfüllen allgemein die gleiche Funktion wie die oben beschriebenen konvergierenden Expansionsdüsen 38. Der Nachteil von konvergierenden-divergierenden Expansionsdüsen 41 liegt darin, daß bei ihnen ein geringer Verlust des Staudruckes in jeder der Rotordüsen während des Durchganges durch einen Teil eines jeden Arbeitssektors auftreten kann. Dieser Staudruckverlust tritt in demjenigen Teil eines Sektors auf, wo die Druck-Temperaturbeziehungen derart sind, daß die konvergiierende-divergierende Expansionsdüse nicht ills eirae Überschalldüse voll entspannter Strömung arbeiter, und der Druck nicht niedrig genug ist, um es zu erlauben, daß der divergierende Abschnitt der Düse vollständig als unter Schallgeschwindigkeit arbeitender Diffusor arbeitet Als Ergebnis hiervon wird eine Druckwelle in dem divergierenden Teil der Expansionsdüse erzeugt, da eine vollständige Expansion auf Oberschallgeschwindigkeiten am Düsenausgang nicht erreicht wird. Der Ort in jedem Arbeitssektor, an welchem dieser Staudruckverlust auftreten kann, ändert sich mit der Rotorgeschwindigkeit, Heißgastemperatur und dem Druckverhältnis. Die Gesamtwirkung dieser Druckstörwellen, welche im divergierenden Teil der Expansionsdüse 41 auftreten können, auf den Gesamtwirkungsgrad der Antriebsturbine kann jedoch auf einem derartig niedrigen Wert gehalten werden, daß sie für die meisten Anwendungsfälle ohne Bedeutung ist. Bei den mit einigen Expansionsstufen und dem Spülvorgang verbundenen niedrigeren Druckverhältnissen wirkt der divergierende

S Teil der Expansionsdüse 41 der Rotorzelle als Diffusor, so daß hierdurch der für die Strömung durch wahlweise vorgesehene Wärmetauscher und Auspuffkanäle erforderliche Druck wieder aufgebaut werden kann.

In der folgenden Beschreibung wird das Prinzip der

ίο Steuerung der Steueröffnungen näher erläutert, wie es bei dem Verdichtungsvorgang über einen Bereich verschiedener Drehzahlen und Gastemperaturen angewandt wird, wobei jedoch darauf hingewiesen wird, daß das gleiche Prinzip auf die Steuerung der örtlichen Beziehung und der Größe jeder der Einlaß- oder Auslaßöffnungen der Antriebsturbine anwendbar ist. Die Druckwellen 44 und 50, die reflektierte Druckwelle 51, die Trennfront 42 zwischen Kaltgas und Heißgas und die Trennfront 48 zwischen Heißgas und Kaltgas müssen sich, wie bereits zuvor unter Bezugnahme auf Fig.2 näher erläutert, bewegen. Mit anderen Worten bedeutet dieses, daß die Druckwellen zunächst in der Rotorzelle enthalten sein müssen und sich die Gastrennfronten bewegen müssen, um bei der Trennfront 42 ein zu großes Ausströmen des Niederdruckkaltgases 47 aus den Rotorzellen in die Auspufföffnung zu vermeiden und bei der Trennfront 48 die Strömung von Heißgas durch die Hochdruckkaltgasöffnung 32 zu minimieren oder die Menge an kaltem verdichteten Gas zu minimieren, die in die erste Expansionsöffnung 34E der Antriebsturbine gefördert wird. Der Zweck der Steuerung der öffnungen, wie sie für den Verdichtungsvorgang in F i g. 3 und 4 veranschaulicht ist, liegt darin, die richtigen räumlichen Beziehungen zwischen den Vorderkanten und Hinterkanten der entsprechenden öffnungen (Heißgasöffnung 31 und Kaltgasöffnung 32 in diesem Fall) herzustellen, so daß die Druckwelle 50, die reflektierte Druckwelle 51 und der Expansionsfächer 63, 64 sowie die Heißgas/Kaltgas-Trennfront 48 sich in einer derartigen Weise bewegen, daß so genau als möglich die in F i g. 2 veranschaulichte Konfiguration verdoppelt wird, und zwar unabhängig von Rotorgeschwindigkeiten und Temperaturen der Arbeitsgase.

In der folgenden Beschreibung wird die Kante jeder Einlaß- oder Auslaßöffnung, die zunächst zu einer Rotorzelle, die sich in der normalen Drehrichtung bewegt, geöffnet wird, als »Vorderkante« der öffnung bezeichnet. Gleichermaßen wird diejenige Kante jeder

öffnung, die zuletzt zu der sich in der normalen Drehrichtung bewegenden Rotorzelle geöffnet wird, als »Hinterkante« der öffnung bezeichnet

Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage weist auf Grund der Verwendung beweglicher Steuerblöcke 75,

76 und 77 für die öffnungen, wie diese in einer bevorzugten Ausführungsform in Fig.3 veranschaulicht sind, und ähnlicher beweglicher Blöcke 78,79 und 80, wie diese bei einer abgewandelten Ausführungsform in Fig.4 veranschaulicht sind, eine Einrichtung auf, um

eine Arbeitsweise hohen Wirkungsgrades bei verschiedenen Drehzahlen und stetige Betriebsbedingungen während der beim Starten der Turbine ablaufenden Folge von Vorgängen zu erreichen. In beiden Fällen werden mittels der Steuerblöcke die gleichen Ziele

erreicht, jedoch stellt die Ausführungsform gemäß Fig.3 auf Grund praktischer Konstruktionsüberlegungen die bevorzugte Ausführungsform dar. Wenn der Bewegungsbereich und der Einbauort der Steuerblöcke

gemäß den F i g. 3 und 4 miteinander verglichen werden, sind einige Unterschiede offensichtlich, von denen einige besonders bedeutsam sind, da sie die bevorzugte Wahl einer Ausführungsform gegenüber den anderen beeinflussen. Beispielsweise muß bei der in Fig.4 veranschaulichten Ausführungsform der Steuerblock 78 an der Hinterkante der Heißgasöffnung für einen gegebenen Geschwindigkeits- und Temperaturbereich einen größeren Bewegungsbereich aufweisen, als sein Gegenstück, der Steuerblock 76 gemäß Fig.3. Dies bedeutet, daß die durch Lager 81 bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 gebildeten Führungen kürzer als die entsprechenden Führungslager 81 der Ausführungsformen gemäß F i g. 4 sein können, was den Vorteil bietet, daß diese Bauteile, nämlich der bewegliche Steuerblock und die Führungslager, die in einem Bereich der Turbine hoher Temperatur angeordnet sind, mechanisch einfacher und leichter ausgebildet sein können, den Temperaturwirkungen weniger unterliegen und darüber hinaus weniger in den Expansions- und Rückführungsabschnitt der Turbine reichen. Ähnliche Vorteile werden bei der Ausführungsform gemäß Fig.3 dadurch erreicht, daß der Steuerblock an der Hinterkante der Hochdruckkaltgasöffnung 32 vollständig weggelassen ist, da wiederum dieser Steuerblock den Wirkungen der Gase hoher Temperatur ausgesetzt wäre. Dies ist der Fall, da die dazugehörige Lagerung notwendigerweise einen gewissen Raum zwischen der Hochdruckkaltgasöffnung 32 und der ersten Expansionsöffnung 37 einnehmen müßte, wobei diese Anordnung den Beginn der Expansion des Heißgases durch die Expansionsöffnung 34£ zeitlich verzögern würde, woraus gleichzeitig eine Vergrößerung der Leckverluste aus der Rotorzelle vor der Expansion folgen würde.

Die mechanische Bewegung dieser zusammenarbeitenden Steuerblöcke dient dazu, die Größen und die mittleren Stellungen der Heißgaseinlaßöffnung 31 und der Hochdruckkaltgasauslaßöffnung 32 zu verändern. Das direkte Ergebnis der richtig koordinierten Bewegung dieser Steuerblöcke besteht in der Abstimmung der Strömung der Heißgase durch die Heißgaseinlaßöffnung 31 und der Strömung von verdichtetem Kaltgas durch die Hochdruckkaltgasöffnung 32 in die Hochdruckkaltgaskammer 33 und in die Leitung 55. Die beweglichen Steuerblöcke ermöglichen es darüber hinaus, die Druck- und/oder Expansionswellen örtlich richtig bezüglich der öffnungen bei jeder Drehzahl und jeder Heißgastemperatur im Arbeitsbereich der Turbine zu positionieren.

Die Stellungen der Steuerblöcke 75,76 und 77 in der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig.3 sind mechanisch über Kurbeln 82,83 bzw. 84 in Verbindung mit Nocken, Zahnstangentrieben oder anderen nicht veranschaulichten Mechanismen gesteuert Bei beiden Ausführungsformen gemäß Fig. 1, 3 und 4 erfolgt die Bewegung der Blöcke auf einem Kreisbogen.

Dem Fachmann auf diesem Gebiet ist offensichtlich, daß die Stellungen der Kanten der verschiedenen öffnungen zum Betrieb bei verschiedenen Drehzahlen und Gastemperaturen alternativ durch Steuerblöcke steuerbar sind, welche zwangsgeführt entweder auf dem Umfang, axial oder radial in und aus den verschiedenen Steueröffnungen beweglich sind. Ferner kann entweder ein einzelner beweglicher Steuerblock mit jeder Kante »erbunden sein oder es können eine Anzahl derartiger Steuerblöcke vorgesehen sein, um eine stufenweise Einstellung der Lage der jeweiligen Kante der Steueröffnung durchzuführen. Jeder bestimmte Steuer block dieser Ant kann ferner Bewegungskomponenten in mehr als einer Richtung beispielsweise einer Kombination von Umfangsbewegung, Axialbewegung und Radialbcwegung aufweisen.

S Es ist ferner offensichtlich, daß irgendeine Form automatischer Steuerung vorteilhaft ist, um die Bewegungen der Steuerblöcke in dem Fall zu koordinieren, daß eine deraritige Turbine beispielsweise bei einem Straßenfahrzeug verwendet wird, da die Reaktionen

ίο eines Menschen zu langsam wären, um getrennte Einstellungen vorzunehmen, um die Einstellung der Steuerblöcke bei jeder der vielen Drehzahländerungen, die notwendig sind, wenn ein Fahrzeug im Verkehr bewegi wird, zu optimieren. Der Haupteingangspara meter der Steuerung für die Steuerblöcke ist die Drehzahl oder Umfangsgeschwindigkeit der Turbine, so daß ein Servosystem erforderlich ist, welches eine festgelegte Grundstellung für jeden Steuerblock als Funktion der Turbinendrehzahl herstellt. Derartige

ao Systeme werden als Folgesteuerungen oder Lagesteuerungen bezeichnet und werden allgemein in industriellen Steuersystemen verwendet.

Abweichungen aus der Grundeinstellung können erforderlich sein, um einen großen Temperaturbereich der Hochdruckheißgase auszugleichen. Beispielsweise ist es möglich, daß eine Form der erfindungsgemäßen Antriebsturbine unter Bedingungen verwendet werden kann, bei denen ein Leistungsbereich bei einer oder mehreren bestimmten Drehzahleinstellungen ange-

strebt ist. Die Änderung der Leistungsabgabe bei einer bestimmten konstanten Drehzahl wird durch Erhöhen oder Verringern der Temperatur oder des Druckes der Hochdruckheißgase 49 erreicht, die aus der Heizkammer 22 in den Rotor 17 eintreten. Wiederum ist eine Fahrzeugturbinenanlage ein gutes Beispiel einer derartigen Situation. Der dem Temperaturausgleich dienende Teil des Steuersystems würde daher in derartigen Fällen die Stellung der Steuerblöcke 75, 76 und 77, die grundsätzlich durch die Drehzahlsteuerung festgelegt wurde, weiter abwandeln, um für eine gegebene Heißgastemperatur das maximale Drehmoment zu erreichen.

Es wurde nun gefunden, daß die richtigen Stellungen der Steuerblöcke 75, 76 und 77 gemäß Fig.3 und gleichermaßen die richtigen Stellungen der Steuerblökke 78, 79 und 80 gemäß F i g. 4 eine annähernd lineare Beziehung zueinander als Funktion der Turbinendrehzahl haben. Folglich können die Kurbeln 82, 83 und 84 gemäß Fig.3 oder ähnliche Kurbeln 85, 86 und 87 gemäß F i g. 4, welche die Steuerblöcke bewegen, in den meisten Fällen auf mechanischem Wege miteinander derart verbunden sein, daß die Wirkung eines einzelnen Stellers, wie beispielsweise eines hydraulischen oder pneumatischen Zylinders (nicht dargestellt) oder eines

Elektromotors {nicht dargestellt), sämtliche Steuerblök-

ke bei einem entsprechenden Stellsignal von der

Drehzahlsteuerung mit Temperaturausgleich betätigen

kann.

Es gibt selbstverständlich auch Anwendungsfälle, wo

eine manuelle Einstellung der Steuerblöcke entweder in irgendeiner koordinierten Weise oder getrennt voneinander möglich ist, um die Leistung der Turbine bei einer bestimmten Geschwindigkeit zu optimieren, so daß keine automatischen Steuerungen notwendig sind.

Die Stellungen der Steuerblöcke 75,76 und 77 gemäß Fig.3 sind derart festgelegt, daß für eine gegebene Rotordrehzahl und eine gegebene Heißgastemperatur die Heißgas/K altgas-Trennffront 48 den Auslaß der

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Expansionsdüse 38 einer Rotorzelle im oder nahe am Zeitpunkt erreicht, in welchem die Expansionsdüse 38 der Hinterkante der Hochdruckkaltgasöffnung 32 gegenüberliegt. Diese Stellung der beweglichen Blöcke verhindert das Ausströmen des Heißgases durch die S Hochdruckkaltgasöffnung 32 in die Kochdruckkaltgaskammer 33 und in die Leitung 55. Bei einigen Kombinationen von Rotordrehzahl und Heißgastemperatur fließt nicht das gesamte Hochdruckkaltgas von dem Rotor in die Hochdruckkaltgaskammer 33, sondern to wird durch den Rotor in den Expansionsabschnitt der Turbine getragen. Diese Situation tritt immer dann auf, wenn der Eixpansionsfächer 63, 64, der durch das Schließen der Heißgaseinlaßöffnung 31 durch die Kante 88 des Steuerblocks 76 ausgelöst wurde, die Trennfront 48 kreuzt, ehe letztere die Kaltgasöffnung 32 erreicht.

Bei der in F i g. 3 veranschaulichten Ausführungsform dient die Kante 89 des Steuerblocks 75 als Bezugskante, so daß die Kante 90 des Steuerblocks 77 die Vorderkante der Hochdruckkaltgasöffnung 32 bildet ao und derart eingestellt werden muß, daß das Kaltgas, welches zuvor durch die Druckwelle 44 verdichtet wurde, gehalten wird, bis die Druckwelle 50 zumindest das stromaufwärts liegende Ende der Expansionsdüse 38 der Rotorzelle erreicht hat. Unmittelbar danach muß der Ausgang der Expansionsdüse zur Hochdruckkaltgasöffnung 32 geöffnet werden, da die reflektierte Druckwelle 51 nun das Kaltgas auf den Höchstdruck in dem Arbeitszyklus verdichtet hat, der dem höchsten Gesamtwirkungsgrad der Turbine entspricht. Das verdichtete Kaltgas entspannt nun durch die Expansionsdüse der Rotorzelle, gelangt durch die Hochdruckkaltgasöffnung 32 und tritt in die Hochdruckkaltgaskammer 33 und Leitung 55 ein, durch weiche es strömt und schließlich die Heizkammer 22 erreicht.

Es ist offensichtlich, daß die Funktion dieser beispielhaft veranschaulichten Steuerblöcke darin liegt, die Vorderkante und die Hinterkante der öffnungen 31 und 32 derart zu verstellen, daß die zeitliche Abstimmung der Druckwelle 50, der reflektierten Druckwelle 51 und der Heißgas/Kaltgas-Trennfront 48 für alle Kombinationen von Rotordrehzahlen und Heißgastemperaturen im wesentlichen die gleiche bleibt, wie sie in F i g. 2 veranschaulicht ist, so daß die Turbine mit dem größtmöglichen Wirkungsgrad bei allen Einstellungen der Drehzahl und Leistung arbeitet. Die richtige Einstellung der Steuerblöcke gewährleistet ein minimales Vermischen der Heiß- und Kaltgase in den Rotorzellen oder in der Hochdruckkaltgaskammer 33. Somit ermöglicht es die Einstellung der Steuerblöcke eine Arbeitsweise höchsten Wirkungsgrades der Turbine durch einen weiten Geschwindigkeitsbereich aufrechtzuerhalten, in welchem die Steuerung der Druckwelle 50, der reflektierten Druckwelle 51 und der Heißgas/Kaltgas-Trennfront 48 aufrechterhalten werden kann.

Um den größtmöglichen Wirkungsgrad unter Vernachlässigung mechanischer Komplexität zu erreichen, können ähnliche bewegliche Steuerblöcke an den Vorderkanten und Hinterkanten sämtlicher Einlaß- und Auslaßöffnungen vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein derartiger beweglicher Steuerblock (nicht dargestellt) an der Hinterkante der Auspufföffnung 19 oder an der Hinterkante der Einlaßöffnung 12 (mit den öffnungen 114) oder an den Hinterkanten beider öffnungen verwendet werden, um die Relativlage der Druckwelle 44 einzustellen, um dadurch eine Rückströmung in die Einlaßkammer zu vermeiden. Ein ähnlicher beweglicher Steuerblock an der Vorderkante dei Einlaßöffnung 12 (öffnungen 14) gewährleistet darübei hinaus eine Flexibilität bei der Steuerung des Spülvor gangs, indem die Kaltgas/Heißgas-Trennfront 42 irr Zyklus der Turbine später oder früher ausgelöst werder kann, so daß ein Überspülen (übermäßige Strömung vor Kaltgas in den Auspuff) und ein Unterspülen (unvollständiges Austreiben der Abgase durch die Auspufföffnung 19) vermieden werden kann.

Gleichermaßen können bei denjenigen Ausführungsformen, bei denen die Abmessungen des Stators genügend Raum hierfür bieten, derartige bewegliche Steuerblöcke an den Vorderkanten und Hinterkanten der Heißgas-Expansionsöffnungen 34£) 35£ 36£ und 37E der Rückführungsöffnungen 34Ä, 35Ä, 36Ä und 37Λ sowie den Vorder- und Hinterkanten der Auspufföffnung 19 vorgesehen sein, die es ermöglichen, wahlweise die Heißgasströmung während der Expansionsstufen zu steuern, um dadurch den Expansionsprozeß über einen großen Bereich von Rotordrehzahlen und Gastemperaturen zu optimieren. Die Steuerblöcke in den Rückführungsöffnungen, den Expansionsöffnungen und den öffnungen 12 und 19 sind nicht dargestellt, wobei deren Herstellung und Rolle jedoch so ähnlich derer der Blöcke, die in den öffnungen 31 und 32 veranschaulicht sind, ist, daß keine weitere Erläuterung notwendig ist und die Zeichnungen eine zweckdienliche Vereinfachung darstellen, in denen diese zusätzlichen Steuerblöcke nicht veranschaulicht sind.

In Fig.3 und 4 sind zwei Extremstellungen der Steuerblöcke veranschaulicht, wobei die eine in durchgezogenen Linien veranschaulichte Stellung die Einstellung für die höchste Rotordrehzahl und die andere in gestrichelten Linien veranschaulichte Stellung die Einstellung für die niedrigste Rotordrehzahl und Leerlaufbedingungen anzeigt. Bei diesen beiden Ausführungsformen, bei denen eine Umfangsbewegung der Steuerblöcke angewandt wurde, ist die Stellung jedes der Steuerblöcke stufenlos zwischen diesen beiden Extremstellungen veränderbar. In den Fi g. 3 und 4 sind die definierten Stellungen lediglich angenähert, zeigen jedoch den notwendigen Bewegungsbereich bezüglich der Größe der Heißgaseinlaßöffnung 31 und der Hochdruckkaltgasöffnung 32 an. Während des Startens sind die Steuerblöcke 75, 76 und 77 in F i g. 3 oder die Steuerblöcke 78, 79 und 80 in Fig.4 in der durch die gestrichelten Linien angezeigten Stellung, die der niedrigen Geschwindigkeit entspricht, befindlich.

Die Kante 89 des Steuerblocks 75 bei der bevorzugten in F i g. 3 veranschaulichten Ausführungsform kann als Bezugskante zum Auslösen der Druckwelle 50 und der Trennfront 48 aufgefaßt werden und folglich dient die feststehende Vorderkante der Heißgaseinlaßöffnung 31 bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß F i g. 4 dem gleichen Zweck. Es ist offensichtlich, daß es beim Verdichtungsprozeß die Relativlage der Steuerblocks ist, weiche von besonderer Bedeutung ist, so daß die Wahl, welche, falls überhaupt, der vier Kanten der öffnungen 31 und 32 für irgendeine spezielle Ausführungsform der Turbine festgelegt werden soll, im großen Maße von Überlegungen der mechanischen Auslegung der Turbine abhängt

Bei der in Fig.3 veranschaulichten Bauweise der Steuerblöcke sind drei Steuerblöcke verwendet worden, obwohl einer derselben, nämlich der Block 76 an der Hinterkante der Heißgaseinlaßöffnung 31 sich um eine sehr geringe Strecke im Vergleich mit der Bewegung der übrigen Steuerblöcke 75 und 77 bewegt Folglich

/7

wäre es möglich, den Steuerblock 76 bei einer Antriebsturbine einfacherer Bauart wegzulassen, wobei jedoch etwas der Leistung aufgegeben wird. In diesem Fall kann die Hinterkante der Heißgaseinlaßöffnung 31 als Bezugskante für das Einstellen der anderen Steuerblöcke aufgefaßt werden.

Es soll jedoch nicht unterstellt werden, daß eine feststehende Bezugskante einer Steueröffnung für den Betrieb der Antriebsturbine erforderlich ist. Es ist ebenso möglich, vier Steuerblöcke zu verwenden, um sowohl die Vorderkanten als auch die Hinterkanten der öffnungen 31 und 32 einzustellen. Bei einer derartigen Situation gibt es eine Bezugsstellung füF jeden-tfer Steuerblöcke bei irgendeiner festgelegten Drehzahl und Heißgastemperatur, welche als Ausgangspunkt für alle anschließenden Bewegungen dient, die durch das Steuersystem beim Betrieb der Turbine erforderlich werden.

Die gesamte vorstehende Diskussion der Gasturbinenanlage hat sich mit der Arbeitsweise bei einer speziellen Drehzahl und Leistungseinstellung innerhalb von Grenzen annehmbarer Wirkungsgrade befaßt. In sämtlichen Fällen wurde angenommen, daß Gleichgewichtsbedingungen in der Niederdruckkaltgaskammer 11, der Heizkammer 22, der Hochdruckkaltgaskammer as 33 und der Auspuffkammer 20 erreicht wurden. Ein Gleichgewicht wird in diesen Kammern bezüglich Druck und Temperatur der Gase erreicht und wenn die Steuerblöcke entsprechend eingestellt sind, arbeitet die Antriebsturbine wie oben beschrieben. Es gibt jedoch Übergangszustände während Drehzahländerungen oder Leistungsänderungen (oder beide gleichzeitig), bei denen Druck und Temperatur der Gase in den Kammern nicht in einem stetigen oder gleichgewichtigen Zustand sind.

Wird angenommen, daß die Antriebsturbine bei einer einem Gleichgewichtszustand entsprechenden Drehzahl und Leistungsabgabe läuft und es wird plötzlich Wärme zugeführt (beispielsweise die Brennstoffströmung wird vergrößert), treten momentan verschiedene Ungleichgewichtszustände auf:

1. Die Gastemperatur in der Heizkammer 22 steigt an und Kompressionswellen pflanzen sich stromaufwärts und stromabwärts fort. Als Folge hiervon wird das Druckniveau in der den Kreislauf darstellenden Strömungsschleife, welche die Heizkammer 22, die Heißgaseinlaßöffnung 31, die Hochdruckkaltgasöffnung 32 und die Hochdruckkaltgaskammer 33 umfaßt und in den geöffneten Rotorzellen erhöht.

2. Dieser Druck vergrößert die Stärke der Druckwelle 21 und der reflektierten Druckwelle 51, welche das Kaltgas in den Rotorzellen auf einen höheren Druck verdichten und bewirken, daß sich die Heißgas/Kaltgas-Trennfront 48 schneller bewegt

3. Der Druck der Heißgase 49 und 54 und der Kaltgase 52 und 53 in geöffneten Rotorzellen 18 des Rotors 17 steigt an, das Drehmoment wird auf Grund der höheren Geschwindigkeit der Ausströmung der Gase durch die Expansionsdüsen 38 größer und die Rotordrehzahl zeigt die Neigung, zuzunehmen, bis ein neuer Gleichgewichtszustand bezüglich der Wärmezufuhr und der an der Turbine hängenden Last erreicht wird.

Die Zustände in der Heizkammer, der Kaltgaskammer und den geöffneten Rotorzellen können in analoger Weise für eine Situation beschrieben werden, in welcher die Turbine bei irgendeiner bestimmten Drehzahl und Leistungsabgabe läuft und plötzlich die Wärmezufuhr zu der Heizkammer 22 verringert wird (beispielsweise Verringerung der Brennstoffströmung). Die momentan instabilen Zustände, die auf Grund der verringerten Wärmezufuhr auftreten, führen zu der folgenden Kette von Ereignissen:

1. Expansionswellen in der Heizkammer pflanzen sich stromaufwärts und stromabwärts fort und verringern so den Druck in der den Kreislauf darstellenden Strömungsschleife, welche die Heizkammer 22, die Heißgaseinlaßöffnung 31, die Hochdruckkaltgasöffnung 32, die Kaltgaskammer 33, die Leitung 55 und die geöffneten Rotorzellen 18 einschließt.

2. Dieser Druckabfall führt zu einer Verringerung der Stärke der Druckwelle 50 und der reflektierten Druckwelle 51, eine Herabsetzung der Drücke der Heißgase 49 und 54 und der Kaltgase 52 und 53 in den Rotorzellen, woraus dann eine Verringerung der Geschwindigkeit der Trennfront 48 folgt.

3. Der verringerte Druck und die geringere Temperatur der Heißgase führt zu niedrigeren Austrittsgeschwindigkeiten der Gase und einem kleineren Drehmoment. Folglich nimmt die Rotordrehzahl ab, bis ein neues Gleichgewicht bezüglich der Wärmezufuhr und der an der Turbine hängenden Last erzielt ist.

Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage arbeitet in der unter Bezugnahme auf F i g. 2 beschriebenen Weise unabhängig davon, ob die beweglichen Steuerblöcke richtig eingestellt sind. Die Einstellung der Steuerblöcke beeinflußt lediglich den Wirkungsgrad. Beispielsweise besteht, falls die Rotordrehzahl auf Grund der angehängten Last herabgesetzt wird und die Brennstoifzufuhrmenge nicht erhöht wird, die Wahrscheinlichkeit, daß Anteile verdichteter Heißgase 54 in die Hochdruckkaltgaskammer 33 ausgestoßen werden, was einen schlechteren Wirkungsgrad zur Folge hätte. In gewissermaßen ähnlicher Weise besteht, falls der Rotor auf Grund der Verringerung der Last beschleunigt wird, die Brennstoffzufuhr konstant bleibt und die Steuerblökke nicht verstellt werden, die Wahrscheinlichkeit, daß ein Teil der Hochdruckkaltgase in die Expansionsöffnung 34£ ausgestoßen wird, was wiederum einen schlechten Wirkungsgrad hervorruft. Was auch immer für Umstände der obengenannten Art oder andere Kombinationen von Temperatur und Brennstoffzufuhr auftreten, wird die oben beschriebene Antriebsturbine dennoch auf dem oben beschriebenen Prinzip der Kompression und Reaktion weiterarbeiten. Spezielle Werte der Turbinenparameter wurden im Rahmen dei vorliegenden Beschreibung nicht angeführt, da e: hierfür ebenso viele Gruppen von Werten gibt, wit Anwendungsfälle oder Verwendungen der erfindungs gemäßen Gasturbinenanlage möglich sind und siel folglich die jeweils speziellen Abmessungen entspre chend ändern würdea Im folgenden wird jedoch ein« Gruppe von Werten beispielhaft angegeben.

Für eine vergleichsweise kleine Antriebsturbine, dii in dem Bereich von etwa 66 m/sec bis 320 m/sec mi einem Auslegungspunkt von 264 m/sec arbeitet, wöbe die Umfangsgeschwindigkeit längs der Teilkreislinie de Rotorschaufeln 27 gemessen ist, können unter Bezug nähme auf Fig.6 folgende Abmessungen verwende werden:

Rotordurchi.jesser über die

mittlere I lohe der

Schaufeln

Schaufelhöhe und Höhe der

Steueröffnungen

Querschnittsfläche der

Rotorzelle

Querschnittsfläche der

Düse

öffnung 12

(Teilkreislinienlänge)

öffnung 31

(Teilkreislinienlänge)

(Minimalöffnung)

Wand 60

öffnung 34/?

Wandung 68

öffnung 35Ä

Wandung 71

öffnung 37Ä

Wandung 92

öffnung 32

(Minimalöffnung)

Wandung 93

öffnung 34£

Wandung 94

öffnung 35£

Wandung 95

öffnung 37£

Wandung 96

öffnung 19

Eingangswinkel der

Schaufeln (Rotorzellen)

gemessen aus der

Drehebene

Ausgangswinkel der

Schaufeln (konvergierende

Expansionsdüsen)

gemessen aus der

Rotationsebene

355,6 mm 25,4 mm

193,55 mm² 96,77 mm*

109,73 mm

45,72 mm 13,97 mm 56,90 mm 16,76 mm 3531 mm 39,62 mm 50,55 mm 70,1 mm 27,94 mm 33,53 mm 10,16 mm

6,35 mm 16,76 mm

4,83 mm 39,62 mm

4,83 mm 70,1 mm

4,83 mm 192,02 mm

40°

20°

Im folgenden wird das Starten der erfindungsgemäßen, auf dem Druckwellenprinzip arbeitenden Gasturbinenanlage näher erläutert. Einer der Gründe größter Bedeutung für die Anordnung zusätzlicher beweglicher Steuerblöcke an den Vorder- und Hinterkanten der Einlaßöffnungen 12,31,34R, 35R, 36Λ und 37R sowie an den Vorder- und Hinterkanten der Auslaßöffnungen 19, 32, 34£, 35£, 36£ und 37£ liegt darin, das Starten der beschriebenen Gasturbinenanlage bei sehr niedriger Geschwindigkeit, die erheblich unter der dem Auslegungspunkt entsprechenden Geschwindigkeit liegt, zu erleichtern. Beispielsweise müssen zum Starten der Gasturbine die beispielhaft veranschaulichten beweglichen Steuerblöcke 75,76 und 77 (F i g. 3) und 78, 79 und (Fig.4) in Stellungen «ingestellt werden, die der oben beschriebenen Arbeitsweise für niedrige Geschwindigkeiten entsprechen und die in den Zeichnungen durch gestrichelte Linien veranschaulicht sind. Der in integrierter Bauweise für diesen Typ von System vorgesehene Anlasser verwendet Energie aus einem Speichertank 59 (vgl. F i g. 4), welcher Hochdruckkaltgas enthält, das zuvor von der Kaltgasleitung 55 über das Rückschlagventil 57 und die Leitung 58 abgezweigt wurde, wobei möglicherweise eine zusätzliche Verdichtung durch einen Hilfskompressor 97 erfolgen kann. Bei einem im offenen Zyklus arbeitenden System mit einer Heizkammer, in der eine Verbrennung stattfindet oder anderen im offenen Kreislauf arbeitenden Systemer» mii einer Wärmequelle ohne Verbrennung, enthält der Speichertank normalerweise Druckluft Für Systeme, die im geschlossenen Kreislauf arbeiten mit Wärme-S quellen ohne Verbrennung, enthält der Speichertank einen Vorrat des normalen im Kreislauf umgeführten Gases, das im Betrieb der Turbine verwendet wird. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird das verdichtete Kaltgas in dem Speichertank 59 durch das

ίο Startventil 98 freigegeben, durch die Leitung 99 zu dem Druckregulator 100 zu strömen, welcher das Kaltgas bei konstantem Druck für eine kurze Zeitspanne abgibt die ausreicht die Turbine zu starten. Eine öffnung kann zur Druckregulierung verwendet werden, da für den

is größeren Teil des Startzyklus das Druckverhältnis über diese öffnung die Strömung in einer derartigen Weise drosselt daß eine ausreichende Druckregulierung erreicht wird. Die druckgeregelte Strömung des Kaltgases aus dem Tank 59 gelangt über die Leitung 55

ao in den Bereich zwischen der Zündeinrichtung 25 und der Brennstoffzuführungseinrichtung 24. Die Strömung des Startgases wird in die normale Richtung durch das Rückschlagventil 101 gezwungen, welches durch die Wirkung eines Steuetorgans 26 in die Schließstellung,

as die in Fig.4 in gestrichelten Linien veranschaulicht ist, gebracht wird. Das Steuerorgan 26 sorgt für die Brennstoffzufuhr (nicht dargestellt), indem Brennstoff unter Druck durch den Brennstoffeinspritzer 24 eingespritzt wird. Die Zündflamme reicht in die Heizkammer in den Bereich des nun arbeitenden Brennstoffeinspritzers 24. Der Brennstoff wird bei einem Druck eingespritzt, der ausreicht, einen Sprühstrahl aus kleinen Tröpfchen zu erzeugen. Wenn die Zündflamme 102 den eingespritzten Brennstoff von dem Brennstoffeinspritzer 24, der mit Druckluft aus dem Speichertank 59 vermischt ist erreicht hat, wird durch kontinuierliche Verbrennung eine erhebliche Menge an Hochdruckgas hoher Temperatur in der Heizkammer 22 erzeugt Im Fall einer nicht auf Verbrennung beruhenden Wärmequelle ist keine Zündeinrichtung erforderlich und das komprimierte Gas fließt direkt zu der Wärmequelle der Heizkammer 22 und erzeugt hierdurch eine erhebliche Menge an Hochdruckheißgas. Das Hochdruckheißgas aus der Heizkammer 22 fließt durch die Heißgaseinlaßöffnung 31, wo es auf die Schaufeln 27 auf trifft um die Drehung des Rotors 17 einzuleiten. Die Drehung des Rotors 17 und die entsprechende Betätigung des Gebläses 15 bringt Kaltgas 47 durch die Einlaßkammer 11, die Kaltgasöffnung 12 in die Rotorzellen nach innen und spült hierbei irgendwelche restlichen Auspuffgase eines vorangegangenen Betriebes aus. Die Drehung des Rotors 17 schließt dann die Ausgänge der Expansionsdüsen 38 (oder 40), so daß das einströmende Kaltgas zur Ruhe gelangt hierbei die Druckwelle 44 auslöst (die zunächst schwach ist jedoch an Stärke während des Anlassens zunimmt). Eine fortgesetzte Drehung des Rotors setz) das Kaltgas in den Rotorzellen den Heißgasen 49 aus der Heizkammer aus, wodurch die Heißgas/Kaltgas-Trennfront 48 (F i g. 2) erzeugt wird. Die Druckwelle 5C wird ebenfalls in der oben beschriebenen Weise ausgelöst und diese verdichtet das Kaltgas 52 weiter Die Rotordrehzahl nimmt auf Grund der Wirkung dei Strömung von Heißgas 49, welches auf die Schaufeln 2) und durch die Reaktion der nach außen gerichteter Gasströmung durch die Expansionsdüsen 38 und durch die Hochdruckkaltgasöffnung 32 in die Hochdruckkalt gaskammer 33 zu. Gleichzeitig wird die reflektierte

druckwelle 51 erzeugt, die den Druck des durch die druckwelle verdichteten Kaltgases 53 nochmals erhöht, welches somit schnell einen höheren Druck als der Druck der Gase in der Heizkammer 22 erreicht. Diese Hochdruckkaltgase treten durch die Hochdruckkaltgasäffnung 32 aus, wandern durch die Kochdruckkaltgaskammer 33 und die Leitung 55 (F i g. 4) und treffen auf das Rückschlagventil tOl auf. Wenn der Druck des Hochdruckkaltgases hoch genug ist, bewegt sich das verschwenkbare Rückschlagventil 101 aus seiner geschlossenen Startposition (in gestrichelten Linien veranschaulicht) in seine offene Arbeitsstellung (in durchgezogenen Linien gezeigt), welche eine freie Strömung des Hochdruckkaltgases 53 aus der Hochdruckkaltgasöffnung 32, durch die Kammer 33 und durch die Leitung 55 zurück in die Heizkammer 22 erlaubt Die Verwendung dieses Rückschlagventils 101 ist lediglich beispielhaft angegeben, da es viele andere bekannte Mittel der Rückströmungssteuerung gibt, die dem Fachmann auf diesem Gebiet allgemein bekannt sind. Wenn das verschwenkbare Rückschlagventil sich öffnet, um die normale Strömung von durch Druckwellen verdichtetem Kaltgas 53 in die Heizkammer 22 zu erlauben, ist die den Startvorgang bildende Folge beendet und die Rotordrehzahl nimmt zu, obwohl auf Grund der niedrigen Drehzahl die Turbine zu diesem Zeitpunkt noch nicht bei sehr hohem Wirkungsgrad arbeiten kann. Während die Rotordrehzahl zunimmt, werden die beispielhaft veranschaulichten beweglichen Steuerblöcke 75, 76 und 77 (F i g. 3) oder beweglichen Steuerblöcke 78, 79 und 80 (Fig.4) neu eingestellt, wodurch die öffnungen 31 und 32 weiter geöffnet werden. Wenn beabsichtigt ist, die Drehzahl der Turbine bis zum Auslegungspunkt oder auf die Optimaldrehzahl zu erhöhen, werden diese beweglichen Steuerblöcke in die in durchgezogenen Linien in F i g. 4 veranschaulichten Stellungen bewegt. Die Turbine wird mit der Druckluft (oder anderem Gas) gestartet, welches zuvor in dem Tank 59 gespeichert wurde und dann zum Starten dadurch erwärmt wird, daß es durch die Heizkammer 22 geleitet wird. Während des Startens ist der Wirkungsgrad der Turbine offensichtlich niedrig, nimmt jedoch zu und erreicht den maximalen Wirkungsgrad für die genaue Einstellung der beweglichen Steuerblöcke in den Steueröffnungen.

Eine zweite Folge von Ereignissen tritt beim Wiederauffüllen des Vorrats an verdichtetem Kaltgas in dem Tank 59 auf. Aus Gründen der kompakten Bauweise enthält der Tank normalerweise Gas bei einem Druck, der über dem maximalen Arbeitsdruck der auf dem reflektierten Druckwellenprinzip arbeitenden Turbine liegt. Im Verlauf des Startens jedoch kann der Druck des gespeicherten verdichteten Gases in dem Tank 59 unter den Druck des verdichteten Kaltgases 53 als Arbeitsgas abfallen. Das Rückschlagventil 57 verhindert die Strömung des gespeicherten Gases in dem Tank 59 in die Leitung 55. Wenn jedoch der Druck in der Leitung 55 den Druck in dem Tank übersteigt, öffnet sich das Rückschlagventil 57, um eine begrenzte Strömung verdichteten Kaltgases 53 in den Tank 59 zur Wiederauffüllung des Vorrats an Hochdruckgas zu ermöglichen, welches beim Starten verbraucht worden war. Wenn die Drücke der Gase in der Leitung 55 und dem Tank 59 gleich sind, schließt sich das Rückschlagventil. Wenn nun zusätzliches Gas bei höherem Druck als der Druck in der Hochdruckkaltgaskammer 33 für zukünftige Startvorgänge gespeichert werden soll, kann «»in HilfskomDressor 97 verwendet werden. Der Hilfskompressor 97 ist gleichfalls vorgesehen, um, wenn erforderlich, den Tank 59 zu einer Zeit wieder zu iullen, wenn die Turbine nicht arbeitet

Aus Fig.4 ist ersichtlich, daß zusätzlich drehbare Leitflügel 13 vorgesehen sind. Diese dem Vordrall dienenden Leitflügel in der Einlaßöffnung 12 ermöglichen eine Flexibilität des Eintrittswinkels von Kaitgas 47 aus der Kammer 11, wie sie für eine Arbeitsweise besten Wirkungsgrades bei allen Drehzahlen erforderlieh ist, einschließlich des Leerlaufs und des Startens. Wenn die Leitflügel richtig eingestellt sind, tritt die Kaltluft in die Rotorzellen in einem Winkel ein, der der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors und der Relativgeschwindigkeit der Auspuffgase in der Rotorzelle entspricht. Wenn die Leitflügel in der in Fig.4 veranschaulichten Weise ausgerichtet sind, weisen die einströmenden Gase eine Bewegungskomponente in der Richtung auf, in der sich der Rotor bewegt, so daß die Relativgeschwindigkeit des Gases etwas geringer ist als die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors. Der Betrag des Vordralls der aus der Kammer 11 eintretenden Gase ist im Idealfall derart, daß in den Rotorzellen eine Relativgeschwindigkeit erzeugt ist, die gerade mit der der Heißgase in dem Rotor übereinstimmt, so daß

2;, hierbei keine Druckwellen oder Expansionsfächer an der Gastrennfront 42 ausgelöst werden.

Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage kann auch durch direktes Andrehen des Rotors durch mechanische Einrichtungen, wie beispielsweise einen Elektromotor gestartet werden, vorausgesetzt, daß die Schaufelanordnung derart ist, daß eine Gaszirkulation durch den aus der Heißgaskammer 22 dem Rotor 17, der Hochdruckkaltgaskammer 33 und der Leitung 55 bestehenden Kreis erzeugt wird. Diese Zirkulation muß selbstverständlich in der gleichen Richtung wie die normale Arbeitsströmunjg erfolgen. Eine derartige Gaszirkulation kann nur diinn erreicht werden, wenn das Gas nach Verlassen des Rotors durch die Expansionsdüsen 38 eine größere Tangentialkomponente der Geschwindigkeit in Drehrichtung aufweist, als es diese beim Eintreten in den Rotor aus der Heißgaskammer 22 aufwies. Wenn dieser Zustand nicht erreicht ist, kann der Rotor keine positive Arbeit auf das zirkulierende Gas ausüben und folglich ist auch keine Druckerhöhung des Gases in der Hochdruckkaltgaskammer 33 gegenüber dem in der Heißgaskammer 22 möglich.

Der Rotor mit schraubenlinienförmiger Schaufelbestückung und Axialströmung, wie er in den Fi g. 1, 2, 3 und 4 veranschaulicht ist, kann die zur Ausbildung der Zirkulation in dem zuvor erwähnten Strömungskreis notwendigen Zustände nicht erzeugen. Folglich ist es nicht möglich, eine Turbine mit dieser Art Rotor durch direktes mechanisches Anlassen zu starten, wohingegen eine Turbine mit einem spiralförmigen oder helikoidalen Rotor mit !radialer Strömung oder einer erheblichen radialen Strömungskomponente auf dem Rotor auf diese Weise gestartet werden kann, vorausgesetzt, daß die tangentiale Gasgeschwindigkeit am Ausgang des Rotors größer ist als am Eingang. Folglich kann dei helikoidale Rotor gemäß F i g. 8 und der spiralförmige Rotor gemäß F i g. 9, bei denen eine radial nach außer gerichtete Strömung angewandt wird, als Bauteile ii einer Antriebsturbine verwendet werden, die durcl mechanisches Anlassen gestartet werden kann.
Dem Fachmann auf diesem Gebiet der Herstelluni und Konstruktion von Strömungsmaschinen ist e offensichtlich, daß es geometrische Grenzen bei der Verhältnis der Qucrschnittsflächen der Strömungskanä

7fX> WR/5

It· der auf dem Rotor befindlichen Expansionsdüse η 38 (oder Düsenhals 39) und des Einlasses der Rotorzelle gibt, urn für eine stabile und stetige Gaszirkulation die richtige Rotorreaktion zu erreichen.

Beim Starten durch mechanisches Anlassen kann, nachdem die Zirkulation des Gases stabilisiert wurde, dieses in der Heizkammer 22 durch Einspritzen und Verbrennen von Brennstoff oder durch andere Mittel im Fall einer Turbine mit entsprechendem spiralförmigen oder helikoidalen Rotor, die jedoch die anderen Merkmale ähnlich den in Fig.4 veranschaulichten aufweist, erhitzt werden. Zu diesem Zeitpunkt liefern die Heißgase die zusätzliche erforderliche Energie zur Beschleunigung des Rotors auf die stabile Umfangsgeschwindigkeit und der mechanische Anlasser kann abgeschaltet werden, da der Rotor der Turbine nun ein ausreichendes Drehmoment oder Leistung abgibt, um die Betriebsweise aufrechtzuerhalten.

Bei beiden beispielhaft veranschaulichten Auslührungsformen (F i g. 3 und 4) können die Zwischenstellungen der beweglichen Steuerblöcke und der Leitflügel verwendet werden, um bei im Zwischenbereich liegenden Drehzahlen einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen. Für die automatische Einstellung der beweglichen Steuerblöcke und der Leitflügel können hydraulische, pneumatische, elektrische oder andere Einrichtungen vorgesehen sein, welche die beweglichen Steuerblöcke entweder direkt oder durch eine mechanische Verbindung einstellen können, wie diese durch die Kurbel, die Welle und die Nocken 82, 83 bzw. 84 in F i g. 3 oder 85, 86 bzw. 87 in F i g. 1 und 4 veranschaulicht ist. Die Verbindungsglieder in den automatischen Steuerungen dieser Steuerblöcke sind nicht dargestellt, da eine Anzahl von Lösungen, die dem Fachmann auf diesem Gebiet allgemein bekannt sind, verwendet werden kann, um die Kurbel, die Welle und die Nocken automatisch zu bewegen. Folglich bilden die Mittel für diese automatische Bewegung nicht einen Teil der vorliegenden Erfindung. Die beweglichen Blöcke selbst und die hierdurch erzielten Ergebnisse bilden jedoch einen wichtigen Teil der Erfindung.

Es kann vorteilhaft sein, die Überspülung zu vermeiden, die bei niedrigen Drehzahlen auftreten kann, bei der folglich durch das Pumpen überschüssigen Frischgases in die Rotorzellen, durch die Expansionsdüsen 38 der Rotorzellen und nach außen durch die Auspufföffnung 19 Arbeit verlorengeht. Falls das Kaltgasgebläse 15 mechanisch durch den Rotor 17 oder durch andere Einrichtungen bei einer Drehzahl proportional zu der des Rotors angetrieben ist, ist die Geschwindigkeit des kalten Frischgases 47 durch die Einlaßkaminer U, durch die Rotorzelien 18 und durch die Expansionsdüsen 38 (oder 41) der Rotorzellen etwa proportional zur Rotordrehzahl. Die Geschwindigkeit des restlichen Heißgases, welches in die Auspuffkammer 20 durch die Vorwärtsbewegung des Kaltgases aus der Einlaßkamtner 11 ausgetrieben wird, ist ebenso etwa proportional zu der Drehzahl des Rotors. Folglich ist es bei dieser einfachen Ausführungsform, bei der die Drehzahl d;s Gebläses proportional zur Rotordrehzahl ist, möglich, die Vorderkanten und Hinterkanten der Auspufföffr ung 19 festzulegen (d. h. nicht verstellbar), ohne daß bei den verschiedenen Drehzahlen ein melkbarer Verlust an Wirkungsgrad auftritt. Bei anderen Aiisführungsformen, die aufgeladen sind und bei denen die Drehzahl des Gebläses nicht immer proportional zur Rotordrehzahl ist, ist es bei bevorzugten Versionen erforderlich, eine einstellbare Hinterkante der Auspufföffnung 19 mittels eines beweglichen Steuerblocks vorzusehen. Für irgendeine bestimmte Turbinen- oder Rotordrehzahl wird dieser bewegliche Steuerblock für höhere Gebläsedrehzahlen vorgeschoben und für niedrigere Gebläsedrehzahlen zurückgezogen.

in den F i g. 7A bis 7C, 8A bis 8C und 9A bis 9C sind eine Anzahl von Anordnungen für die geometrischen Formen der Rotorschaufeln und der geometrischen

ίο Formen der zwischen diesen Rotorschaufeln ausgebildeten Rotorzellen gezeigt. In den Fig.7A bis 7C sind die Schaufeln schraubenlinienförmig geformt veranschaulicht, um eine Axialströmung des Arbeitsgases zu ermöglichen. Die Schaufelformen der Ausführungsformen gemäß den F i g. 1 bis 6 sind von dieser Art In den F i g. 8A bis 8C sind die Schaufeln und folglich auch die Rotorzellen in helikoidaler Form veranschaulicht, die eine Strömung ermöglichen, welche sowohl eine Axialkomponente als auch eine Radialkomponente aufweist Die Radialkomponente kann nach innen oder nach außen gerichtet sein, was entsprechend der Konstruktion und der resultierenden Strömungsrichtung wählbar ist. Die F i g. 9A bis 9C zeigen Schaufeln und folglich Rotorzelien, welche spiralförmig ausgebildet sind und eine Radialströmung direkt in Richtung der Drehachse oder direkt von der Drehachse weg ermöglichen, was von der Wahl der Konstruktion und der daraus resultierenden Strömungsrichtung abhängt. Die in diesen Figuren veranschaulichten alternativen beispielhaften Ausführungsformen für den Rotor wurden gewählt, um die Anwendbarkeit der in oben stehenden beschriebenen Prinzipien auf verschiedene geometrische Formen zu zeigen.

DieFig. HAbis llFzeigen in Fig. HA.llCundllE die Einlaßöffnungen für verschiedene Arten von Gasturbinenanlagen und die F i g. 11B, 11D und 11F die entsprechenden Anordnungen der Auslaßöffnungen. Die in den F i g. 11A und 11B veranschaulichten Einlaß- und Auslaßöffnungen sind für eine Antriebsturbine mit einem einzelnen Sektor gedacht, wie sie oben bereits beschrieben wurde, die drei Rückführiingsstufen verwendet. Db Bezugszeichen in den F i g. 11A und 11B sind dieselben wie die beispielsweise in den F i g. 1 bis 6 verwendeten. Die in den F i g. 1 IC und 11D veranschaulichte Anordnung der Steueröffnungen sind für eine Antriebsturbine gedacht, welche drei Sektoren pro Umdrehung durchläuft und welche pro Sektor drei Rückführungskanäle verwendet. Die selben Bezugszeichen wurden verwendet und die baulichen Einzelheiten sind aus den verwendeten Bezugszeichen ersichtlich. Es ist zu sehen, daß bei der Anordnung gemäß den Fig;. 11C und 11D die drei Arbeitssektoren symmetrisch ausgebildet sind, so daß eine gleichmäßige Verteilung der Arbeitsgänge um die Rotationsachse erzielt wird.

Die in den Fig. HA und 11B (Einzelsektor) und den Fig·. 11E und 11F dargestellten Anordnungen sind für asymmetrische Einrichtungen gedacht. Die Symmetrie der Anordnung der Sektoren um die Drehachse ist bei jeder Ausführungsform möglich, die zwei oder mehr Sektoren aufweist. Die freie Wahl einer asymmetrischen Anordnung der Sektoren jedoch (ein oder mehr) bei einer Turbine kann verwendet werden, um als gesamtes oder teilweise die asymmetrischen Kräfte zu versetzen, die auf Grund äußerer mechanischer Antriebsverbindüngen, wie Getriebe, Ketten, Scheiben oder Riemen, auf die Turbinenwelle wirken. Die Bezugszeichen für entsprechende Einzelheiten in den Fig. HE und 11F sind dieselben wie bei den darüberstehenden Figuren

und die Anordnung dieser Einzelheiten sollte offensichtlich sein.

Die Arbeitsweise des Rotors der beschriebenen Antriebsturbine, die auch als Turbokompressorwellenmotor in Integralbauweise bezeichnet werden könnte, unterscheidet sich erheblich von einer üblichen Turbine, indem jede Rotorzelle 18 der erfindungsgemäßen Turbine eine Folge komplexer Funktionen erfüllt, von denen einige (mit der Ausnahme der Verbrennung) grob betrachtet analog denen einem Verbrennungsmotor vom Kolben-Zylindertyp sind. Im Gegensatz hierzu erfüllen die Räume zwischen den Schaufeln einer konventionellen Turbine die Funktion einer einfachen Steuerung der Strömung und Expansion des Arbeitsgases in einem stetigen Zustand. Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage unterscheidet sich erheblich von einem Verbrennungsmotor vom Kolbenzylimdertyp darin, daß sie keine hin und her beweglichen Teile, keine Ventile und keine intermittierend arbeitende Zündoder Brennstoffeinspritzeinrichtungen aufweist. Entsprechende Funktionen dieser komplexen Einrichtungen werden statt dessen als Folge der zeitlich abgestimmten, einem Kameraverschluß ähnlichen öffnung der Rotorzellen 18 zu den Einlaßöffnungen 12,3i, 34Ä, 35K, 36Λ, 37R und zu den Auslaßöffnungen 19, 32, 345, 35E, 36f, 37E erreicht. Diese Funktionen werden als Folge der Drehbewegung des Rotors 17 mit der Erzeugung von Druckwellen 44,50 und der reflektierten Druckwelle 51, Expansionswellen, reflektierten Expansionswellen, nach innen und nach außen gerichteten Strömungen in zweckdienlicher Folge erzielt, um dadurch eine Strömung von verdichtetem Kaltgas zu der Heiz- (oder Brennkammer aufrechtzuerhalten und um durch eine Expansion des Heißgases aus der Heiz-(oder Brenn-)kammer mit hohem Wirkungsgrad an der Welle ein Drehmoment zu erzeugen. Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage erscheint von außen gesehen einer üblichen Gasturbine ähnlich, indem die Rotorzellen trotz ihrer vielfältigen und komplexen inneren Funktionen zusammen eine stetige Strömung und wirksame Expansion von Heißgasen gewährleisten. Sie unterscheidet sich erheblich von der üblichen Gasturbine darin, daß der Rotor abwechselnd Verdichtungs- und Expansionsphasen verwendet, um beide Funktionen, nämlich die Verdichtung und die Expansion innerhalb derselben Rotorzelle zu erfüllen. Als Ergebnis dieser abwechselnden Phasen kann die erfindungsgemäße Antriebsturbine insbesondere bei den Ausführungsformen mit den in den Fig.3 und 4 veranschaulichten beweglichen Blöcken und beweglichen Leitflügeln mit gutem Wirkungsgrad über einen großen Bereich von Geschwindigkeiten arbeiten. Wenn verbrennbare Brennstoffe als Wärmequelle verwendet werden, kann die Turbine eine stetige Verbrennung (ohne Schwallbildung) bei niedrigen Geschwindigkeiten und niedrigem Brennstoffverbrauch aufrechterhalten und eine erhebliche Leistung (Wellenleistung, Schub oder Kompression) bis herunter zu vergleichsweise niedrigen Leerlaufgeschwindigkeiten abgeben.

Die größeren Vorteile der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage ergeben sich aus der abwechselnden Verwendung der Rotorzellen zur Verdichtung des Kaltgases und zur Expansion oder Abblasen des Heißgases. Die Verdichtung durch Druckwellen, die Verwendung direkter Druckwellen 44, 50 und der reflektierten Druckwelle 51 von dem durch die Expansionsdüse im Rotor gebildeten Strömungshindernis, ermöglicht es, hohe Verdichtungsverhältnisse und hohe thermodynamische Wirkungsgrade zu erreichen ohne die Größe, das Gewicht, die Kosten oder die Komplexität mehrstufiger Axial-. Zentrifugal oder anderer üblicher Verdichter zu benötigen. Hinzu kommt, daß die Verwendung der Roiorzellen für die Verdichtung der kalten Frischgase durch Druckwellen gleichzeitig eine selbsttätige Kühlung der Rotorzellen als Teil des grundsätzlichen Arbeitszyklus darstellt ohne daß spezielle Kühlleitungen, öffnungen oder

,o Höhlungen erforderlich sind, und ohne daß kraftverzeh rende Kühlmittelströmungen in dem kotor oder den Rotorschaufeln nötig sind. Die untere Durchschnitts temperatur, die im Rotor und seinen Schaufeln au Grund dem abwechselnden Aussetzen zu kaltem und heißem Gas erreicht wird, ermöglicht erstens die Verwendung einer hohen Spitzentemperatur für das Heißgas zum Erreichen eines größeren thermodynami sehen Wirkungsgrades, zweitens die Verwendung von Materialien geringer Kosten in Verbindung mit üblichen Spitzentemperaturen des Heißgases oder drittens einen ökonomisch sinnvollen Kompromiß oder Kombination von höheren Spitzentemperaturen der Heißgase und Materialien geringerer Kosten.

Ein Vorteil besonderer Bedeutung ist der Widerstand der erfindungsgemäßen Antriebsturbine gegen da Abwürgen bei schnellen Änderungen von Last und Drehzahl. Die Neigung, bei schneller Beschleunigung abgewürgt zu werden, welche alle bisher bekannten Arten von Gasturbinen aufwiesen, wird wirksam bei der| erfindungsgemäßen Antriebsturbine dadurch unter drückt, daß das Kaltgas 47 aus dem Gebläse 15 wirksam gegenüber der Strömung des durch Druckwellen] verdichteten Kahgases 53 und des Heißgases 49 in dem Hochdruckkreis isoliert ist. Hinzu kommt, daß der in dem Hochdruckkaltgas 53 vorhandene hohe Staudruck in der Kombination mit der Art und Weise, in der diej Druck- und Expansionswellen sich fortpflanzen (strom aufwärts und stromabwärts), wenn in der Heizkamme 22 die Wärmemenge schnell vergrößert oder verklei

nert wird, eine stabile Strömung in dem Hochdruckkreis] unabhängig von schnellen Änderungen der Last unq Drehzahl gewährleistet. Das Obenstehende trifft zu weil die in der Heizkammer 22 auf Grund schnelle Vergrößerungen der Wärmezufuhr erzeugten Druck

wellen die Hochdruckheißgasöffnung 31 erreichen, ehej die sich in das Kaltgas stromaufwärts fortpflanzender] Druckwellen die Hochdruckkaltgasöffnung 32 errei chen, so daß über den Rotor die richtigen Gradienterj des Übergangsdrucks gewährleistet sind.

Besondere Vorteile in der möglichen Anwendung ergeben sich aus der Tatsache, daß die erbracht« Leistung leicht auf eine große Anzahl von Wegen j( nach Bedarf abgenommen werden kann. Ein großer Tei der obenstehenden Beschreibung hat sich mit de

Maximierung des Wellendrehmoments über ein*| Anzahl von Rückführungs- und Expansionsstufen au dem die Kompressions- und Expansionsstute bildender Rotor befaßt. Falls jedoch eine direkte Schubabgabe wie beispielsweise zum Antrieb von Flugzeugen erforderlich ist an Stelle von Drehmoment, ermöglich die Verringerung oder das Weglassen der Rückfüh rungsstufen das Rotordrehmoment auf die minimalei Erfordernisse zu verringern, die eine zweckdienlichi Verdichtung und eine ausreichende Strömung m de Heizkammer gewährleisten. Als Ergebnis hiervon kan dann ein hoher Anteil des Hochdruckheißgases 5\ direkt in eine zweckdienliche Leitung oder Schubdüs geleitet werden, um den maximalen Schub zu erzeugerj

Zusätzlich zu Wellendrehmoment und direktem Schub kann ein drittes Verfahren, welches in bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft ist, darin liegen, die Arbeit in Form von Druckluft oder anderem verdichteten Gas abzuführen. Die Einfachheit des Verdichtungsvorgangs durch Druckwellen und die hohen erreichbaren Drücke machen die auf dem reflektierten Druckwellenprinzip arbeitende Wellenmaschine besonders attraktiv für derartige Anwendungsfälle. Die Heizkammer 22 einer derartigen Ausführungsform wäre dann relativ kleiner, da lediglich ein Teil der verdichteten Luft oder Gas 53 im Kreislauf zur Heizkammer umgeführt würde, um den Rotor zu treiben und um die Druckwellenverdichtung des Kaltgases hervorzurufen.

Die erfindungsgemäßen Merkmale der oben beschriebenen Gasturbinenanlage sind allgemein auf Verfahren der Wärmeenergieumwandlung anwendbar einschließlich sämtlicher möglicher Wärmequellen, wie z. B. Verbrennung, Atomreaktor und Sonnenöfen. Die erfindungsgemäßen Merkmale sind allgemein auf im offenen Kreislauf arbeitende Turbinen, bei denen das Arbeitsgas ein in der Umgebung vorliegendes Gas, wie beispielsweise Luft, sein kann, anwendbar, welches von der Umgebung angesaugt und in diese zurückgefördert wird. Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage kann als im offenen Kreislauf arbeitendes Antriebsaggregat eingesetzt werden, wobei eine unbegrenzte Wärmequelle, beispielsweise als Abfallprodukt einer Raffinerie, vorhanden ist und wobei das Kaltgas und das Heißgas lediglich einmal verwendet werden und anschließend voneinander getrennt werden. Turbinen nach der vorliegenden Erfindung sind ebenfalls allgemein als im geschlossenen Kreislauf arbeitende Motoren verwendbar, bei denen düs Arbeitsgas im Kreislauf vom Auspuff zur Ansaugseite umgeführt wird und auf diesem Wege

ίο durch Wärmetauscher zu der erforderlichen Abkühlung hindurchgeführt wird.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Stator der Turbine aus rostfreiem Stahl hergestellt, um den hohen Temperaturen, die im wesentlichen konstant

ι S vorhanden sind, zu widerstehen. Es soll darauf hingewiesen werden, daß andere Materialien, wie beispielsweise Inconel, verwendet werden können, vorausgesetzt, daß derartige Materialien gegen hohe Temperaturen widerstandsfähig sind. Der Rotor bei der bevorzugten Ausführungsform kann aus rostfreiem Stahl mit 5%igem Chromgehalt oder sogar aus einigen Aluminiumlegierungen hergestellt werden, da die mittlere Temperatur des Rotors nicht so hoch ist, wie die des Stators. Dies stellt einen erheblichen wirtschaft liehen Vorteil dar.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Antreiben des Rotors einer Gasturbinenanlage durch Kompression und Expansion der Gase, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst kaltes Gas mit relativ geringem Druck in Zellen des Rotors eingeführt wird, daß dann an der Austrittsöffnung der Zellen eine erste Druckwel- ι ο le in Richtung deren Eintrittsöffnungen erzeugt wird, durch weiche das Kaltgas in den Zellen einer ersten Verdichtung ausgesetzt wird, daß dann in die Zellen durch deren Eintrittsöffnung ein Heißgas relativ höheren Druckes eingeleitet wird und dadurch eine zweite Druckwelle in Richtung der Austrittsöffnungen der Zellen erzeugt wird, welche das Kaltgas in den Zellen einer zweiten Verdichtung aussetzt, daß auf dem Rotor an einer Drosselstelle ii« den Zellen eine reflektierte Druckwelle in Richtung der Eintrittsöffnungen erzeugt wird, durch welche das Kaltgas weiter und das Heißgas ebenfalls verdichtet wird, und daß dann die Gase von der Drosselstelle ausgehend nach Art der Arbeitsweise einer Reaktionsturbine entspannt werden und den Rotor antreiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen und kalten Gase getrennt voneinander entspannt werden, wobei die kalten Gase zuerst entspannt werden.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Gase in aufeinanderfolgenden Stufen entspannt werden.

4. Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche mit auf einem Rotor angeordneten Zellen zur Kompression und Expansion von Gasen im Laufe eines Zyklus und mit Kammern und Leitungen für die Zu- bzw. Abfuhr der Gase, dadurch gekennz-eichnet, daß jede Zelle (18) des Rotors (17) eine Drosselstell·; (39) aufweist, die derart ausgebildet ist, daß an ihr beim Auftreffen einer Druckwelle eine reflektierte Druckwelle erzeugt wird und daß der an die Drosselstelle (39) in Richtung der Auslaßöffnung anschließende Bereich der Zelle als Düse einer Reaktionsturbine ausgebildet ist.

5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das den Rotor (17) aufnehmende Gehäuse: auf der Einlaßseite der Zellen (18) mindestens eine Kaltgaseinlaßöffnung (12, 14) und mindestens :ine HeißgaseinlaßöJnung (31) und auf der Auslaßseite der Zellen (18) mindestens eine Hochdruckkaltgasauslaßöffnung (32) und mindestens eine Hochdruckheißgasexpansionsöffnung (34£bis 37E)aufweist, daß die Kaltgaseinlaßöffnung (12, 14) mit einer Einrichtung (11,15) zur Zuführung von Niederdruckkaltgas verbunden ist und daß eine Heißgasquelle (22) an die Heißgaseinlaßöffnung (31) angeschlossen ist, wobei die Abstände der öffnungen (12, 14, 32, 31, 34 E bis 37£, 34/? bis 37/?, 19) derart bemessen sind, daß das in jede Zelle (18) einströmende Kaltgas (47) durch mindestens eine erste (44) und eine zweite direkte Druckwelle (50) und die reflektierte Druckwelle (51) verdichtet wird und aus der Düse (38 oder 41) der Zelle (18) mit zur Arbeitsleistung ausreichender Energie austritt und daß in jede Zelle (18) das Heißgas (49) später als das Kaltgas (42) einströmt, so daß eine Heißgas/Kaltgas-Trennfront (48) gebildet wird, so daß die reflektierte Druckwelle (51) den Druck des Heißgases (49) erhöht und das Hochdruckheißgas (54) aus der Düse (38 oder 41) der Rotorzelle zeitlich nach dem Hochdruckkaltgas (53) mit ausreichender Geschwindigkeit zur Erzeugung eines erheblichen Drehmomentes an dem Rotor (17) austritt

6. Gasturbinenanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von als Expansionsstufen ausgebildeten Hochdruckheißgasexpansionsöffnungen (34£ bis 31E) vorgesehen ist, die über Leitungen mit Heißgasrückführungsöffnungen (34/? bis 37R) im Bereich der Einlaßseite der Zellen (18) verbunden sind, wobei die Heißgasriickführungsöffnungen (34/? bis 37R) in Drehrichtung jeweils hinter den entsprechenden Hochdruckheißgasexpansionsöffnungen (34E bis 37E) angeordnet sind, und das teilweise entspannte Heißgas in die Zellen in der nächstfolgenden Expansionsstufe zurückführen.

7. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckkaltgasauslaßöffnung (32) über eine Leitung (55) mit der Einlaßseite einer die Hochdruckheißgase erzeugenden Heizeinrichtung (22) verbunden ist.

8. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltgaseinlaßöffnung (12, 14) in Drehrichtung des Rotors (17) vor der Heißgaseinlaßöffnung (31) angeordnet ist.

9. Gasturbinenanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Drehrichtung des Rotors (17) die Größe der Expansionsöffnungen (34£' bis 37E) und die Größe der Rückführungsöffnungen (34/? bis 37AjJeWeUs einander entsprechend stufenweise zunimmt.

10'. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 4 bis; 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auspufföffnung (ll9) für die Abgase vorgesehen ist, welche auf der der Kaltgaseinlaßöffnung (12,14) gegenüberliegenden Seite des Rotors derart angeordnet ist, daß Restabgase aus den Zellen (18) in die Auspufföffnung (19) durch die Kaltgase gespült werden.

11. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung der Größe und örtlichen Beziehung der HeiQgaseinlaßöffnung (31) bewegliche Wandungsabschnitte (75,76,78) vorgesehen sind.

12. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung der Größe und örtlichen Beziehung der Kaltgaseinlaßöffnung (12, 14) bewegliche Wandungsabschniite vorgesehen sind.

13 Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Größe und örtlichen Beziehung der Hochdruckkaltgasauslaßöffnung (32) bewegliche Wandungsabschnittc (77,79,80) vorgesehen sind.

14. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Wandungsabschnitte (75 bis 80) als Steuerschieber oder Steuerblöcke ausgebildet sind.

Ii). Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hochdruckheißgasexpansionsöffnungen (34E bis 37E) und den Heißgasrückführungsöffnungen (34/?, 37R) bewegliche Wandungsabschnitte zur Verände-

rung deren Größe und örtlicher Beziehung vorgesehen sind.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antreiben des Rotors einer Gasturbinenanlage durch Kompression und Expansion der Gase sowie eine Gasturbinenanlage zur Durchführung dieses Verfahrens mit auf einem Rotor angeordneten Zellen zur Kompression und Expansion von Gasen im Laufe eines Zyklus und mit Kammern und Leitungen für die Zu- und Abfuhr der Gase, wobei Verfahren und Gasturbinenanlage zur Energieerzeugung dienen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vollständig neuartiges Verfahren der oben beschriebenen Art sowie eine Gasturbinenanlage zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, die eine ausgesprochen flexible Arbeitsweise bei hoher Leistung gestatten, so daß eine Anwendung als Antriebsmotor für Automobile möglich ist.

Die Erfindung beruht auf dem Lösungsprinzip, die dynamische Natur des Zyklus durch die reflektierten Druckwellen direkt auf dem Rotor einer Turbine derart zu ändern, daß scheinbar die Wärmezufuhr mit konstantem Volumen erfolgt, tatsächlich aber der Druck konstant bleibt.

Die Erfindung löst die eingangs gestellte Aufgabe bei einem Verfahren zum Antreiben des Rotors einer Gasturbinenanlage durch Kompression und Expansion von Gasen im wesentlichen dadurch, daß zunächst kaltes Gas mit relativ geringem Druck in Zellen des Rotors eingeführt wird, daß dann an der Austrittsöffnung der Zellen eine erste Druckwelle in Richtung deren Eintrittsöffnungen erzeugt wird, durch welche das Kaltgas in den Zellen einer ersten Verdichtung ausgesetzt wird, daß dann in die Zellen durch deren Eintrittsöffnung ein Heißgas relativ höheren Druckes eingeleitet wird und dadurch eine zweite Druckwelle in Richtung der Austrittsöffnungen der Zellen erzeugt wird, welche das Kaltgas in den Zellen einer zweiten Verdichtung aussetzt, daß auf dem Rotor an einer Drosselstelle in den Zellen eine reflektierte Druckwelle in Richtung der Eintrittsöffnungen erzeugt wird, durch welche das Kaltgas weiter und das Heißgas ebenfalls verdichtet wird, und daß dann die Gase von der Drosselstelle ausgehend nach Art der Arbeitsweise einer Reaktionsturbine entspannt werden und den Rotor antreiben.

Bei einer Gasturbinenanlage zur Durchführung dieses Verfahrens mit auf einem Rotor angeordneten Zellen zur Kompression und Expansion von Gasen im Laufe eines Zyklus und mit Kammern und Leitungen für die Zu- bzw. Abfuhr der Gase wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jede Zelle des Rotors eine Drosselstelle aufweist, die derart ausgebildet ist, daß an ihr beim Auftreffen einer Druckwelle eine reflektierte Druckwelle erzeugt wird und daß der an die Drosselstelle in Richtung der Auslaßöffnung anschließende Bereich der Zelle als Düse einer Reaktionsturbine ausgebildet ist.

Wie ersichtlich, ist es ausgesprochen schwierig, einen direkten Vergleich mit der vorliegenden Gasturbinenanlage und anderen bekannten Vorrichtungen durchzuführen, da aus dem Stand der Technik keine Vorrichtungen bekannt sind, welche mit direkten und reflektierten Druckwellen auf die oben beschriebene Weise arbeiten. Bei gewissen Drucktauschern und bei Aufladevorrichtungen für Motoren werden direkte Druckwellen verwendet, wie dies beispielsweise bei der Druckwellenmaschine »Komprex« von Brown, Boveri der Fall ist Allerdings liegen die in dieser bekannten Maschine entwickelten Drücke beträchtlich unterhalb der Drücke, die bei der Gasturbinenanlage nach der vorliegenden Erfindung erzeugt werden. Außerdem stellt die Druckwellenmaschine »Komprex« keinen Motor im eigentlichen Sinne dar, da sie außer der Verdichtung keine nutzbare Arbeitsleistung abgibt. Bei der bekannten Druckwellenmaschine werden die Heißgase zur Erzeugung der Endstufe der Verdichtung verwendet, worauf die Heißgase zum Antrieb von weiter stromabwärts liegenden Turbinen verwendet werden. Bei der bekannten Druckwellenmaschine »Komprex« werden darüber hinaus keine Düsen in den Rotorkammern in der Kombination mit reflektierten Druckwellen angewandt, mit denen sich hohe Verdichtungen erzielen lassen.

Eine weitere Druckwellenmaschine ist aus der DT-PS 8 79 344 bekannt, die in erster Linie als Drucktauscher dient Bei dieser bekannten Druckwellenmaschine ist eine Hilfsturbine zum Antrieb dieses Drucktauschers in den Rotor integriert, wobei die Zellen des Rotors zur Kompression und Expansion der Gase dienen. Dieser bekannte Drucktauscher entspricht etwa der normalen Komprex-Maschine, so daß er auch nicht zur Energieerzeugung oder als Antriebsaggregat verwendet werden kann.

Durch die Erfindung wird eine große Anzahl von Vorteilen gegenüber bekannten Vorrichtungen oder Motoren vom Turbinentyp erzielt, wobei besondere Vorteile noch im Vergleich mit den üblichen Verbrennungsmotoren erzielt werden. Zunächst soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß sämtliche Verdichtungen und Expansionen auf einem einzelnen Rotor durchführbar sind, wobei dieser die nutzbare Arbeitsleistung liefert. Wegen der besonderen Form der Rotorzellen und des den Rotor umgebenden Gehäuses kann bei der vorliegenden Antriebsturbine nach der Erfindung während der Verdichtungsphase eine reflektierte Druckwelle erzeugt werden. Diese reflektierte Druckwelle erhöht zunächst den Druck des in den Rotorzellen befindlichen Gases erheblich und ermöglicht eine Arbeitsweise mit hohem Wirkungsgrad bei großer Drehgeschwindigkeit des Rotors. Diese große Rotorgeschwindigkeit ermöglicht weitere Erhöhungen des Arbeitsdruckes im Vergleich mit nach dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen. Die sehr hohen Drücke und Temperaturen, die in den Gasen in den Rotorzellen der Antriebsturbine nach der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, bilden die Grundlage für ein höheres Drehmoment und folglich einer größeren spezifischen Leistung für einen Motor vom Turbinentyp als dies bisher erreichbar war. Ferner ermöglicht es die Form der Rotorzellen in der Kombination mit den verschiedensten Ausfühmngsformen von Düsen, daß der gleichzeitig Kompressions- und Expansionsstufe bildende Rotor selbst nutzbare Arbeitsleistung abgibt, während gleichzeitig die Flexibilität erhalten bleibt, die bereits entspannten Gase vom Rotor zu verwenden, um weitere stromabwärts liegende Turbinen anzutreiben, sollte dieses angestrebt sein. Bei der Antriebsturbine nach der vorliegenden Erfindung können ferner Einrichtungen vorgesehen sein, um diese Hochdruckgase wieder in die die Kompressions- und die Expansionsstufe bildenden Rotorzellen zurückzuführen, so daß die verfügbare Energie dieser Gase mit sehr hohen Drücken sehr viel vollständiger durch Expansion und