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Verfahren und Einrichtungen zum Betrieb von Verbrennungsturbinen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betriebe von Verbrennungsturbinen und die
zur Ausführung desselben dienenden Einrichtungen. Bei dieser Verbrennungsturbine
in bekannter Weise ist eine Hilfsflüssigkeit angewendet, auf die die Verbrennungsgase
ihre Energie übertragen und die in einem geschlossenen Kreislauf umgetrieben wird.
Der Kreislauf setzt sich aus umlaufenden und stillstehenden Teilen mit Turbinenkanälen
zusammen.
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Die Erfindung wird durch den besonderen Arbeitsgang gekennzeichnet,
bei dem die Verbrennung. des Treibmittels in einer mitumlaufenden
Verbrennungskammer
stattfindet, worauf die Gase in dem umlaufenden Teildes Kreislaufs unter hohem Druck
und etwa mit derselben Geschwindigkeit in die in derselben Richtung strömende Hilfsflüssigkeit
unmittelbar eingemischt werden. Gemäß der Erfindung übertragen sie dann auf die
Flüssigkeit ihre Verdrängungs- und Expansionsarbeit, ohne ihr jedoch eine erhebliche
Relativbeschleunigung zu erteilen. Die Flüssigkeit wirkt nun ihrerseits treibend
auf die Turbinenkanäle.
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Man hat bereits vorgeschlagen, einer Hilfsflüssigkeit, die in einem
mit turbinenartigen Kanälen ausgerüsteten Kreislauf dauernd umläuft, mit Hilfe von
Dampf oder Gasen eine Beschleunigung zu erteilen, indem das Treibmittel in injektorartigen
Vorrichtungen zunächst expandiert und darauf in die Hilfsflüssigkeit eingeleitet
wird, so daß seine kinetische Energie unter starker Reibung und Wirbelbildung mit
großen Verlusten auf die Hilfsflüssigkeit übertragen wird. Dies ist das Prinzip
der vergeblich versuchten Reibungs- oder Mischungsturbinen. Man hat auch versucht,
mittels Dampfdruckes Flüssigkeit zwischen Turbinenschaufeln unter absatzweiser Beschleunigung
und Verzögerung in wechselnder Richtung hindurchzudrücken, jedoch wirkt in diesem
Falle der Dampfdruck, ohne daß die Expansion des Dampfes zur Geltung kommt; außerdem
ist die Hilfsflüssigkeit nicht in dauernder Bewegung. Ferner ist eine Einrichtung
bekannt, in der zunächst Dampf- oder Gasblasen mit hohem Druck einer Hilfsflüssigkeit
von gleichem Druck beigemischt werden, um dann das Gemisch gemeinsam in geeigneten
feststehenden Expansionsdüsen expandieren zu lassen, wobei selbstverständlich die
frei werdende Verdrängungs- und Expansionsarbeit der Gase zur Erzeugung einer sehr
hohen, der vollen Druckentspannung entsprechenden Geschwindigkeit der Hilfsflüssigkeit
dient. Der erzeugte Ausflußstrahl von sehr hoher Geschwindigkeit sollte alsdann
Turbinenräder antreiben. Im Gegensatz hierzu soll durch die Erfindung die Erzeugung
derartig hoher Ausflußgeschwindigkeiten vermieden, aber trotzdem die Verdrängungs-
und Expansionsarbeit in nützlicher Weise auf ein Laufrad übertragen werden. Dies
wird dadurch ermöglicht, daß das Einmischen der Gasblasen in die Hilfsflüssigkeit
sowohl wie die Expansion des Gemisches in dem schnell umlaufenden Laufkörper von
außen nach innen vorgenommen wird, während die Strömung gegen die Achse gerichtet
ist. Bei diesem Vorgang müssen an jeder Stelle die im Läufer auftretenden sehr hohen
Zentrifugalkräfte überwunden werden, wodurch gerade der Hauptteil der Arbeitsabgabe
des Gemisches an den Läufer von statten geht.
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Das neue Verfahren soll an Hand der schematischen Abb. Ia erläutert
werden, welche einen durch die Achse gelegten Schnitt einer nach dem vorliegenden
Verfahren arbeitenden Gasturbine beispielsweise darstellt. I-2-3-4 stellt einen
auf der Welle 7 befestigten turbinenartigen Laufkörper dar, welcher einen festen
Leitkörper 5-6, der mit dem Fundament oder einem das Ganze umgebenden Gehäuse fest
verbunden sein kann, umschließt. Sowohl Laufkörper I-4 wie Leitapparat 5-6 sind
mit turbinenartigen Kanälen versehen, welche beispielsweise in dieser schematischen
Abbildung einen enggeschlossehen, hohlringartigen Kreislauf bilden, in welchem Flüssigkeit
im Kreise über I-2-3-4-5-6-I in der Pfeilrichtung kreist. 8 bedeuten Verbrennungskammern,
in die Gas oder Öl und Luft unter hohem Druck eingepreßt werden.
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Es sei angenommen, Laufkörper I-4 und Leitapparat 5-6 seien mit Flüssigkeit,
z. B. Öl oder Wasser, gefüllt, und der Läufer sei in schnelle Drehung versetzt worden,
so wird die Flüssigkeit bei 2 und 3 unter sehr hohem Druck sich befinden, welcher
sowohl in der Richtung 2-I wie 3-4 sehr stark abnimmt. Werden nun aus der Verbrennungskammer
8 die verbrannten, glühenden Gase an der Stelle 3 in den Strom der Hilfsflüssigkeit,
z. B. in einzelnen Blasen, eingemischt, so wird die Flüssigkeit die Gasblasen nach
4 hin, d. h. in Gebiete niedrigen Druckes .mitführen, die Gasblasen werden sehr
stark expandieren, und ihr Volumen auf ein Vielfaches vergrößern. Dies hat zur Folge,
daß Idas in jeder Sekunde nach der Stelle 4 gelangende . Gesarntvolumen (Flüssigkeit
+ Brenngase) wesentlich größer ist ,als dass sekundlich vorbeikommende Volumen der
Flüssigkeit allein, d. h. -die Geschwindigkeit .der Mischung (Flüssigkeit -f- eingeschlossene
Gasblasen) wind um, so größer, je mehr Gase bei 3 eingemischt werden.
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Diese Zunahme der Ström.ungsgeschivindigkeit nach 4 hin hängt (damit
zusammen, daß die Brenngase durch ihre Expansion. an die Flüssigkeit Arbeit abgeben..
Nun, ist bekannt, daß eine in einem geeignetenTurbinenrad von außen nach innen strömende
Flüssigkeit auf dieses Turbinenrad treibend wirkt, genau wie bei den Wasserturbinen.
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Durch. .geeignete Formgebung der Kanäle kann man erreichen, daß idie
expandierten Brenngase in der Nähe der Stelle 4 aus dem Flüssigkeitsstrome ausgetrieben.
werden, z. B. durch Löcher to, und .dann z. B. durch Zwischenräume zwischen -den
einzelnen Kanälen des Laufkörpers - in der Richtung des Pfeiles
Io-II
aus dem Laufkörper ins Freie oder in einen Auspuffraum oder sonstwohin; z. B. in
eine zweite Gasturbine, entweichen.
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Die Zuführung von Gas oder Öl und Luft kann nach vorheriger Kompression
in einem Kompressor beliebiger Bauart direkt in die Verbrennungskammern 8 hinein
erfolgen. Das vorliegende Verfahren kann jedochdahin erweitert werden, daß die Brenngase
mit Hilfe der kreisenden Hilfsflüssigkeit selbst unter Druck gesetzt und in die
Verbrennungskammern 8 befördert werden. Beispielsweise können die Gase, getrennt
oder gemischt, in der Nähe der Stelle 6 des Leitapparates bei niederem Druck in
die Hilfsflüssigkeit eingemischt werden, welche sie dann im Laufkörper von I mach
2 mitnimmt, dabei unter hohen Druck setzt und bei geeigneter Formgebung der Kanäle
bei 2 in die Verbrennungskammern 8 ausstößt. Hier entzünden sich dieselben an den
glühenden Wänden und Gasen der Kammer, um dann nach vollständiger Verbrennung bei
3 in die unterdessen weitergeflossene Hilfsflüssigkeit abermals eingemengt zu werden.
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Dias Eigenartige des neuen Verfahrens besteht sonach darin, daß die
unter ungefähr konstantem, hohem Druck in einer Verbrennungskammer verbrannten Gase
in eine kontinuierlich in gleicher Richtung strömende Flüssigkeit mit mäßiger Geschwindigkeit
eingemischt und darauf expandierend und arbeitsleistend von ihr durch die turbinenartigen
Kanäle 3-4 eines Laufkörpers fortgetragen werden, um d ann aus der Flüssigkeit ausgepufft
zu werden. Ein besonderer Kompressor kann dadurch erspart werden, daß die frischen
Brenngase unter niedrigem Druck der in dem Laufkörper nach außen (I-2) strömenden
Hilfsflüssigkeit beigemischt, von ihr unter hohen Druck gesetzt und dann aus der
Flüssigkeit in die Verbrennungskammer ausgemischt werden. Nach vollständiger Verbrennung
derselben werden sie darauf, wie oben beschrieben, zum zweitenmal in die Flüssigkeit
eingemischt, expandieren und werden zuletzt aus ihr ausgepufft.
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Dieses neue Arbeitsverfahren unterscheidet sich wesentlich von allen
bisherigen Lösungen des Gasturbinenproblems.
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Die Brenngase brauchen hier keine hohen Geschwindigkeiten anzunehmen,
sie werden dem Strome der Hilfsflüssigkeit mit ungefähr gleicher Geschwindigkeit
beigemengt. Jede Injektorwirkung, jedes Beschweren eines Gasstrahles durch einzelne
in den Gasstrahl hineingemischte Flüssigkeitstropfen, wie bei Dampfturbinen vorgeschlagen,
wird vermieden. Die Mischung ist vielmehr umgekehrt: Die Gase werden blasenförmig
in die mäßig schnell strömende Flüssigkeit eingemischt. Durch dieses Verfahren wird
es möglich, die Expansionskraft der Gase selbst bei Ioo Atm. Verbrennungsdruck mit
verhältnismäßig geringen Umfangsgeschwindigkeiten (15o bis 16o m/sek.) in einem
einzigen Turbintnlaufra-d auszunutzen.
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Jede besondere Kühlung der Turbinenkanäle ist überflüssig, weil die
glühenden Gase mit Iden Kanälen direkt nicht in Berührung kommen, sondern sofort
nach ihrem Austreten aus der Verbrennungskammer in die Flüssigkeit eingebettet werden.
Die V erbrennung:skammern erhalten wegen des hohen Gasdrucks und kleinen Gasvolumens
nur eine sehr geringe Größe und ,ganz geringe ausstrahlende Oberfläche; sie können
daher leicht mit Hilfe der Flüssigkeit gekühlt werden.
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Vor Iden .bekannten Gaspumpen (Humphrey) mit langsam hin und her schwingenden
Wassersäulen, Ventilen usw. hat das neue Verfahren ,den Vorzug, @d;aß die Flüssigkeit
dauernd in gleicher Richtung strömt, und d@aß dadurch viel höhere Strömungsgeschwindigkeiten
verwendet werden können; außerdem erfolgt die Kompression, Expansion und Arbeitsabgabe
der Gase an die Hilfsflüssigkeit im Turbinenläufer selbst.
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Die Schwierigkeiten der Kornpression, der hohen Temperaturen und Umfangsgeschwindigkeiten
der Laufräder werden durch das vorliegende Verfahren in überraschend einfacher Weise
überwunden. Die Abmessungen der zur Verwirklichung des Verfahrens dienenden Turbine
werden auch bei mäßigen Drehzahlen sehr klein; mit mäßigen. Umfangsgeschwindigkeiten
kann infolge der hohen Zentrifugalkraft der Flüssigkeit ein sehr hoher Druck in
der Verbrennungskammer aufrechterhalten werden.
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Der Wärmeübergang von den glühenden Brenngasen :auf die die einzelnen
Blasen berührende Flüssigkeit ist deshalb sehr .gering (nicht größer als be-i Gaspumpen),
weil -die glühenden Blasen infolge der immerhin beträchtlichen Geschwindigkeit der
Flüssigkeitsströmung und infolge der sehr kleinen Abmessungen .der Einrichtung,
nur eine außerordentlich kurze Zeit ihren hohen Druck und ihre hohe Temperatur innerhalb
der Flüssigkeit behalten, und außerordentlich schnell unter starker Albkühlung expandieren.
Die Expansion vom Verbrennungsdruck auf ungefähr ,den hal#benDruck geht hier zwanzig
bis hundertmal schneller als bei Gaspumpen oder gewöhnlichen Gasmaschinen vor sich.
Die Brenngase haben gewissermaßen keine Zeit, viel Wärme auszustrahlen.
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Günstig für die Wärmeausnutzung ist auch der Umstand, daß infolge
der Wärmeabgabe an die kreisende Flüssigkeit ein Teil derselben in die Gasblasen
hinein verdampft und
deren Volumen unter entsprechender Arbeitsleistung
vergrößert. Diese weitere Expansionswirkung ist bei allen Gasmaschinen und -turbinen
nicht vorhanden, wo die Brenngase an feste Wände Wärmte abgeben.
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Selbstverständlich kann die Einrichtung zur Verwirklichung des beschriebenen
Verfahrens in sehr verschiedener Weise gebaut sein. In der schematischen Anordnung
der Abb. ia wird die Hilfsflüssigkeit, nachdem sie im Laufkörper I-2-3-4 unter dem
Einfluß der Brenngase Arbeit abgegeben, sofort wieder einem Leitapparat 5-6 zugeführt,
der sie unmittelbar nach Erteilung einer geeigneten Strömungsrichtung und geschwindigkeit
wieder in den Laufkörper zurückführt.
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Abb. 2 zeigt links die Beschaufelung des einwärts führenden Schenkels
und rechts des auswärts führenden Schenkels des Laufrades im Schnitt senkrecht zur
Achse, während in der Mitte oben der Querschnitt der Verbrennungskammer nach der
Linie a-b der Abb. 3 und unten die Beschaufelung des Leitrads dargestellt ist. Abb.
3 zeigt die Laufradkanäle zwischen den Stellen 2 und 3 von außen gesehen. Es ist
sonach ein ganz eng geschlossener Kreislauf I-2-3-4-5-6-i der Hilfsflüssigkeit in
der Form eines Hohlringes oder Wirbelringes verwendet (Abb. Ia und Ib). Dies bietet
den Vorteil der kleinsten Energieverluste und einer gedrungenen Bauart, ohne Zulauf-
und Ablaufkrümmer für den Hauptstrom der Flüssigkeit. Zum Zwecke der Kühlung braucht
dabei nur ein sehr kleiner Teil der kreisenden Flüssigkeit nach außen hin albgespalten
und durch eine Pumpe, einen Hochbehälter oder durch die Saugwirkung der Kreisströmung
wieder in gekühltem Zustand zugeführt zu werden. Die Zuführung erfolgt am besten
in der Nähe der Achse des Lautkörpers oder beispielsweise in den Leitapparat hinein
(Kanäle 3o-3I, Abb. Ib) und zur Abführung der heißen Flüssigkeit dient am besten
die Abdichtung bei 6-I, aus der z. B. in den Ringkanal 29 eine gewisse Menge entlassen
wird.
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Statt der einfachen ovalen Form des Kreislaufes (Abb. Ia und Ib) kann
dieselbe auch nach Abb. 5 gewählt werden, wobei die Hilfsflüssigkeit durch einen
Eintrittskrümmer I5 von außen in den festen Leitapparat geführt wind, um darauf
aus dem Laufkörper I-2-3-4 durch einen entsprechenden stillstehenden Ablaufkrümmer
I6 wieder nach außen geleitet zu werden. I5 und I6 können entweder durch ein Rohr
direkt miteinander verbunden oder an irgendwelche Zufluß- und Abflußleitungen, Pumpen
oder Turbinen oder eine andere Einrichtung angeschlossen sein. Für das Wesen des
vorliegenden Arbeitsverfahrens ist dies gleichgültig. Es können auch nach Abb. 6
mehrere Leitapparate 2I und Laufkörper 2o der beschriebenen Art hintereinander in
Serie von der Hilfsflüssigkeit durchströmt werden. Die Flüssigkeit kann dabei wie
in Abb. 5 und 6 ab- und zugeleitet werden, oder sie kann, wie in Abb. 7 angegeben,
in der Nähe der Achse von einem Ende der Einrichtung unmittelbar in Form eines Hohlringes
zum anderen Ende durch Rohr 28 zurückgeleitet werden. 25 sind drei Leitapparate;
26, 26, 27 sind drei Laufkörper.
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Es ist auch möglich, den gesamten Kreislauf der Flüssigkeit mit Hilfe
der genannten Pumpe oder des Hochbehälters unter einen gleichmäßig wirkenden erhöhten
Druck zu setzen; in diesem Falle erfolgt auch die Zuführung der frischen Brenngase
und die Abführung der Auspuffgase unter entsprechend erhöhtem Druck.
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Die Brenngase können nach ihrer Arbeitsleistung im Turbinenlaufrad
(3-4 in Abb. i) entweder unter Atmosphärendruck ins Freie aasgepufft werden, oder
sie können, nachdem sie bis auf höheren Druck, z. B. 4 bis io Atm., in einer Gasturbine
nach Abb. i gearbeitet halben, in eine zweite Gasturbine für größeres Volumen geführt
werden. Diese zweite Turbine kann in gleicher Weise wie die erste arbeiten. Wegen
des vielgrößeren Volumens der Gase und ihrer viel niedrigeren Temperatur kann diese
Niedeudruckturbine jedoch vorteilhaft nach Art der bekannten Dampfturbinen mit einer
oder mehreren Stufen nach irgendeinem System, Aktion oder Reaktion, Trommel- oder
Räderturbine oder vereinigt, eingerichtet sein. Diese Arbeitsweise ist schematisch
durch Abb. 8 veranschaulicht. Es bedeutet darin 99 eine beispielsweise nach dem
Trommelsystem gebaute Abgasturbine normaler Bauart, d. h. ohne Hilfsflüssigkeit.
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Dieses vereinigte Arbeitsverfahren nach Abb. 8 (nach dem SCompoundsystern)
hat den großen Vorteil, daß man nach idemselben die größten überhaupt vorkommenden
Maschinenleistungen in einfacher und wirtschaftlicher Weise bewältigen kann. Im
Gebiete der kleinen Volumina, hohen Drücke und Temperaturen wird das neue Arbeitsverfahren
gegebenenfalls unter Verwendung mehrerer parallel geschalteter Hochdruckturbinen
(Abb. 6 und 7) benutzt, im Gebiete niederen Druckes und großer Vblum@ina dagegen
die einfache Arbeitsweise und Bauart der Dampfturbinen. i Derselbe Gedanke kann
auch für die frischen Brenngase sinngemäß angewendet «-erden. Ein umlaufender Verdichter
gewöhnlicher Bauart verdichtet :die Gase auf einen: Druck ungefähr gleich demjenigen
vor der Abgasturbine (in praxi etwas größerer bzw. etwas kleinerer Druck)' und.
führt .dieselben
dem Eintrittsleitapparat der Hochdruckgasturbine
zu, worauf sie den beschriebenen Prozeß durchmachen und dann in der Niederdruckturbine
Arbeit leisten und ausgepufft werden.
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Die Zuführung von Gas und Luft kann durch die Saugwirkung der einströmenden
Hilfsflüssigkeit, z. B. bei 6 oder I in Abb. Ib, mit Hilfe geeigneter Luft- und
Gaskanäle I2 und I4 oder durch besondere Zubringerpumpen oder Gebläse irgendeiner
Bauart erfolgen. Das Einmischen der Gase in den Flüssigkeitsstrom geschieht dann
innerhalb des Leitapparates bei 5 oder 6 (Abb. I) oder an der Übergangsstelle vom
Leitapparat zum Laufkörper 6-I (Abb. I), z. B. indem die Zwischenwände oder Schaufeln
der Leitvorrichtung 5-6 hohl ausgeführt werden (I2 und I4, Abb. 4). In diesem Fälle
treten Luft bzw. Gas in die Hohlräume dieser Schaufeln des Leitapparates ein und
durch Schlitze oder Löcher an den Enden der Schaufeln in den Flüssigkeitsstrom aus
(I7, Abb. 4). Dabei kann der Leitapparat so eingerichtet sein, daß abwechselnd eine
Schaufel bzw. ihre Aushöhlung an den Gaskanal, eine an den Luftkanal (I4 bzw. I2)
angeschlossen ist, um Gas und Luft getrennt zu halten.
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Die Anzahl der Laufschaufeln in dem nach auswärts führenden Schenkel
I-2 der Abb. I kann gleich oder doppelt oder dreimal so groß wie die Zahl der Leitapparatkanäle
sein, damit Gas und Luft möglichst getrennt bleiben und gegebenenfalls in ganz getrennten
Laufkanälen nach den Verbrennungskammern 8 geführt werden, um Vorzündungen zu vermeiden.
Der Leitapparat 5-6 kann auch so eingerichtet sein, daß die Ausmündung der Gaskanäle
mehr nach rechts, die der Luftkanäle mehr nach links liegt, um auf diese Weise Luft
und Gas getrennt zuzuführen.
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Die Formgebung der einzelnen Kanäle ist beispielsweise in Abb. 2 für
den Laufkörper in der oberen Hälfte, für den Leitapparat in der unteren Hälfte dargestellt;
die Schnitte sind beidemal von links in den Abb. Ia und Ib gesehen. Abb. 3 zeigt
die Laufkörperkanäle von außen nach der Achse zugesehen. Die beispielsweise gezeichnete
Formgebung der Kanäle eignet sich für besonders hohe Drehzahlen und Verbrennungsdrücke;
zur Erzielung besonderer Wirkungen oder kleinerer Drücke können .die Kanäle auch
mehr radial oder im Sinne der Drehung nach vorn gerichtet gekrümmt sein, ganz ähnlich
wie bei Wasserturbinen und Pumpen. Die Abb. 2 und 3 zeigen auch, wie die bei Io
in Abb. Ia und Ib ausgemischten Auspuffgase zwischen den verschiedenen Laufkanälen
hindurch durch geeignete Zwischenräume oder Öffnungen in eine Auspuffkammer oder
ins Freie geführt werden können.
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Abb. 2 zeigt oben in der Mitte beispielsweise einen Schnitt a-b senkrecht
zur Achse durch die Verbrennungskammer und den unmittelbar Barumliegenden Laufkörperkanal
z-3. Die Verbrennungskammer kann selbstverständlich einen durch die umlaufende Hilfsflüssigkeit
gespeisten Kühlmantel seitlich und nach der Achse zu erhalten. In dieser Darstellung
sind die Verbrennungskammern getrennt voneinander angenommen; dieselben können jedoch
auch einen zusammenhängenden in Richtung des Umfangs ringsum laufenden Ring bilden,
damit der Verbrennungsdruck überall gleich ist. Bei getrennten Kammern kann dies
auch durch einzelne kleinere Druckausgleichrohre, die zweckmäßig bogen förmig geführt
werden, erzielt werden.
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Die Durchbildung desTurbinenläufers kann entweder wie in Abb. I und
2 als glatter Hohlgußkörper geschehen, in welchem Wände zur Bildung von Kanälen
eingegossen sind, oder es kann nur der .mittlere, innere Teil als glatter massiver
Hohlgußkörper 72 (Abb. 14 und 15) gebaut sein, während idie äußeren strahlenförmigen
Kanäle 73 und 74 gege-#benenfalls samt Iden in einem oder mehreren Körpern 75 vorgesehenen
Verbrennungskammern 8 und. Vorkammern 44 einzeln oder paarweise oder zu dreien oder
mehreren an den inneren vollen Körper angeschraubt oder mit Keilen o: dgl. befestigt
sind. Damit kein zu starker Ventilationswiderstand entsteht, kann um die einzelnen
frei stehenden Kanäle ein glatter dünner Mantel 76 mit ringsum laufendem Auspuffschlitz
gelegt werden.
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Statt des gezeichneten. viereckigen Querschnitts :der Laufkanäle können
dieselben entweder ganz oder nur in ihrem mittleren Teil einen runden oder elliptischen
Querschnitt zur Verminderung der Flüssigkeitsreibung erhalten. .
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Der hohlringartige Kreislauf kann entweder an allen Stellen oder nur
an gewissen Stellen (z. B. in dem einwärts führenden Teil 3-4, Abb. g) mit einer
Zwischenwand 35 versehen werden, um dort, wo -die Gase ein sehr großes Volumen .haben,
die Strömung zu ordnen und gegebenenfalls in der Nähe von ro für ,den Auspuff der
Gase .den doppelten oder dreifachen Querschnitt der Auspufföffnungen zu erzielen.
Genau entsprechende Zwischenwände, die als Hohlkörper mit nach außen führenden Kanälen
durchgebildet sind, können auch für den Eintritt der Gase bei 6-i bzw. bei 3 (Abb.
i) vorgesehen sein.
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Die Unterteilung der einzelnen Kanäle in kleinere rechteckige 36 oder
runde röhrenartige 37 Teilkanäle kann noch viel weiter getrieben werden, z. B. wie
in Abb. io angedeutet.
Dementsprechend kann auch der äußere Teil
des Laufkörpers aus lauter einzelnen Rohren kleineren Durchmessers gebildet werden.
Der Zweck dieser Maßnahme kann z. B. darin bestehen, den Durchmesser der Teilkanäle
so klein zu machen, daß die einzelnen Gasblasen den jeweiligen Querschnitt voll
ausfüllen und voneinander durch Wasserpfropfen oder Wasserkolben getrennt sind.
Es entstehen dabei Gastblasen von bestimmter Größe, weil die Vereinigung zu größeren
Blasen durch die Trennwände verhindert wird. Durch diese Unterteilung des Treibmittels
in einzelne Blasen wird nicht nur eine unerwünschte Frühzündung vermieden, sondern
überhaupt die Wirkung des Laufrades verbessert, weil dann ein Druckausgleich von
außen nach innen aus der Zone hohen Druckes nach der Zone niedrigen Druckes unmöglich
gemacht wird. Doch wird hierdurch die Flüssigkeitsreibung außerordentlich stark
vermehrt.
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Die Verbrennungskammer 8 der Abb. I oder 2 kann zweckmäßig mit einer
besonderen Abteilung 44 bzw. 45 versehen werden (Abb. 9 und II), um die beim
Austreten der Gase aus der Hilfsflüssigkeit bei 2 nach innen spritzende Flüssigkeitsmenge
von der heißen Brennkammer fernzuhalten und durch geeignete Bohrungen in den Flüssigkeitskreislauf
zurückzuführen oder sonstwie abzuführen (z. B. nach außen hin). Infolge der hohen
Zentrifugalkräfte lassen sich die durch die Blasen mitgerissenen Flüssigkeitstropfen
sehr leicht absondern. Es können Einrichtungen vorgesehen werden, die die Flamme
nur auf die eigentliche größere Verbrennungskammer 8 beschränken (z. B. Siebe, Drahtnetze,
kleine Bohrungen, hohe Gasgeschwindigkeit) und nicht in die genannte kleinere Nebenabteilung
hinüberschlagen lassen, um eine Abkühlung der Brenngase durch hineinspritzende Flüssigkeit
vollständig zu vermeiden. Zweckmäßig erhält hierfür jeder Kanal I-2 seine besondere
kleine Nebenabteilung der Verbrennungskammer, so daß diese Vorkammer im allgemeinen
nur mit Gas oder nur mit Luft gefüllt ist und die letzteren erst beim Eintritt in
die eigentliche Brennkammer 8 zusammentreten.
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Statt daß die Auspuffgase aus der Flüssigkeit bei Io (Abt. Ia und
Ib) radial nach außen treten, können sie auch nach der Mitte zu geleitet werden,
wie in Abb. II gezeigt. Die Gase werden dabei infolge der starken Drehung der von
4 nach dem Leitapparat 5 tretenden Hilfsflüssigkeit nach der Stelle kleinsten Druckes,
d. h. nach der Mitte zu gedrängt und puffen entweder durch Bohrungen 32 in der Nabel
des Laufkörpers nach links aus diesem aus, oder sie treten durch einen Kanal 33,
der die Welle umgibt, durch die Mitte des Leitapparats ins Freie oder endlich durch
32 und 33 gleichzeitig. Um dieses Ausmischen nach der Mitte zu zu erreichen, ist
es zweckmäßig, der bei 4 aus dem Laufkörper austretenden Strömung eine starke Wendung
mit Hilfe geeigneter Kanalformen zu erteilen.
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Dias Ausmischen der Auspuffgase aus der Hilfsflüssigkeit kann bei
Anordnungen wie Abb. 5 und 6 auch außerhalb des Laufkörpers, beispielsweise in dem
Ablaufkrümmer I6 oder dessen Fortsetzung auf irgendeine Weise geschehen; hierfür
kann ein besonderer Auspufftopf zur Trennung der Hilfsflüssigkeit und der Gase durch
ihr spezifisches Gewicht angeordnet sein. Hierbei nimmt also der durch den Krümmer
I6 gehende Flüssigkeitsstrom die Brenngase nach außen hin mit.
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Wie aus Abb. I2 ersichtlich ist, können zwei Gasturbinen nebeneinander
auf derselben Welle angeordnet und an geeigneter Stelle, z. B. wie dargestellt,
am auswärts führenden Schenkel I-2 des Laufkörpers, oder aber am einwärts führenden
Schenkel 3-4 oder auch durch den Leitkörper 5-6 miteinander in Verbindung gebracht
sein. Die Zufuhr von Gas und Luft kann dabei nur in den einen Kreislauf (Abt. I2)
oder bei symmetrischer Anordnung in beide Leitkörper geschehen. Der eine Kreislauf
kann mittels Verschlußorgane abschaltbar gemacht sein.
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Erfolgt das Ausmischen der Auspuffgase innerhalb der Gasturbine selbst,
so kann bei großen Leistungen der Querschnitt des Läufern und des Leitkörpers auf
der Strecke 4-5 wie in Abb. I3 ausgebildet sein, wobei ein längerer entweder am
Läufer oder Leitkörper befestigter, rohrähnlicher Auspuffhals 38 vorgesehen ist,
der an seinem äußeren Umfang (wie gezeichnet) eine größere Anzahl geeignet gestalteter
Auspufföffnungen Io enthält. Dabei ist es zweckmäßig, die Krümmung des Laufkörpers
von Punkt 4 ab nach 5 hinschärfer zu gestalten. Statt dessen können die Gase jedoch
auch, wie für Abb. ii beschrieben, nach der Mitte hin ausgepufft werden.
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Das hier verwendete Verfahren zum Eir-und Ausmischen der Gasblasen
gründet sich darauf, daß diese in irgendeiner Flüssigkeit immer nach der Stelle
kleinsten Druckes gedrängt werden. Die Ein- und. Ausmischstelle wird daher -in dem.
:betreffenden, senkrecht zur Strömungsrichtung gezogenen Querschnitt an solche Punkte
gelegt, wo der relativ :kleinste Druckdes betreffenden Querschnitts herrscht. Diese
Stellen liegen in den Meridianschnitten, wie Abb. i, nach den Kriimmungsauittelpunkten
der Kanalwandbegrenzung hin; in Querschnitten senkrecht zur Achse, wie Aibb.2, liegen,
die Stellen kleinsten Druckes bei jedem Strömungsquerschnitt an der voraneilenden
Kanalseite,
wenn der betreffende Kanal dort auf die Flüssigkeit treibend wirkt, auf der radheilenden
Kanalseite, wenn der Kanal dort von der Flüssigkeit angetrieben wird. Umgekehrt
liegen dementsprechend die Stellen höchsten Druckes in jedem Querschnitt. Man kann
natürlich das Ein- und Ausmischen auch noch durch Anordnung irgendwelcher Vorsprünge
oder Hohlräume an den betreffenden Wandstellen unterstützen.
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Selbstverständlich können die einzelnen Elemente der vorbesehriebenen
Verfahren und Einrichtungen in der verschiedensten Weise anders gestaltet sein.
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Z. B. kann auch der Leitapparat für die Hilfsflüssigkeit nach Art
der bekannten gegenläufigen Dampfturbinen eine Drehung entgegengesetzt der des Läufers
I, 2, 3, 4 erhalten, wobei zweckmäßig dann, der Leitapparat und der Turbinenläufer
auf gesonderten Wellen fliegend angeordnet sind. In diesem Fall nimmt auch der Leitapparat
Arbeit auf.
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Der Kreislauf der Hilfsflüssigkeit kann in der verschiedensten Weise
gestaltet werden, doch ergibt die Anordnung Abb. I die größten Vorteile, auch ermöglicht
sie viel höhere Flüssigkeitsgeschwindigkeiten, als wenn die Flüssigkeit aus einem
Behälter angesaugt wird sowie eine verlustlose Ausnutzung ihrer Geschwindigkeit
und ein sehr leichtes Unterdrucksetzer des gesamten Kreislaufes zwecks Vermeidung
schädlicher Hohlraumbildung. An dem Leitapparat 5-6 oder an dem Laufkörper I-2-3-4
können Einrichtungen zur Verringerung oder Aufhebung des Achsialdruckes in ähnlicher
Weisse wie bei Zentrifugalpumpen, Wasser- oder Dampfturbinen vorgesehen sein. Die
Labyrinthdichtung beim Übergang vom Leitapparat zum Laufkörper kann an einer vom
Laufkörper nach der Mitte zu gehenden Wand 96 zur Verringerung des Spaltdurchmessers
angebracht sein. Das Auspuffgehäuse 98 kann ganz fehlen.
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Um zu verhüten, daß das Wasser, das beim Auspuff der Abgase durch
die Öffnungen Io mitgerissen wird, gegen die Brennhammer 8 spritzt, kann eine Wand
9o (Abb. Ia) im Innern des Hohlringes vorgesehen sein, die sdas Wasser auffängt
unddurch Öffnungen dem Kreislauf wieder zuführt. Es können mehrere solcher Wände
9I mit verschiedenen Durchlässen für die Auspuffgase vorgesehen sein (Abb. I3),
die das Wasser auffangen, das durch Rohre 92 in den Schenkel I-2 oder 93 in den
Schenkel 3-4 wieder eingeführt wird.
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Statt daß die Brenngase ununterbrochen in die Hilfsflüssigkeit bei
6 bzw. bei 3 eingemischt werden, können gemäß vorliegender Erfindung die einzumischenden
Gasse absatzweise, d. h. mit zwischenliegenden Ruhepausen, eingemischt werden. Hierzu
wird der Druck dieser Gase vor dem Einmischen rhythmisch verändert, und zwar z.
B. durch außerhalb der Gasturbine liegende Vorrichtungen (z. B. für die frischen
Brenngase oder für Gas und Luft allein) oder durch Einrichtungen in der Gasturbine
selbst, beispielsweise durch Erzeugung von Resonanzschwingungen, ähnlich wie sie
bei singenden Flammen, Pfeifen und sonstigen auf der Elastizität von Gasen beruhenden
Einrichtungen auftreten.
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In gleicher Weise können Pulsationen auch für den Austritt der Gase
künstlich erzeugt werden, z. B., indem der Druck in der Auspuffkammer durch eine
geeignete rotierende oder oszillierende Vorrichtung in bestimmtem Rhythmus, etwa
in demjenigen der Schaufelzahlen oder eines Vielfachen davon verändert, z. B. etwa
abgedrosselt wird.
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Der Zweck solcher Pulsationen kann der sein, Gas und Luft in den einzelnen
Kanälen in bestimmter Weise zu trennen bzw. getrennt zu halten oder eine geeignete
Größe der Gasblasen herbeizuführen usw.
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Als Hilfsflüssigkeit kommen außer Wasser und Seewasser insbesondere
Flüssigkeiten mit möglichst hohem Siedepunkt, hohem speziischem Gewicht, möglichst
geringem Wärmeabsorptionskoeffizienten und möglichst geringer innerer Reibung in
Betracht. Hohes spezifisches Gewicht ergibt sehr hohe Zentrifu;galkräfte und daher
sehr hohen Druck in der Verbrennungskammer (Salzlösungen, orgänischeFlüssigkeiten,
wieTetrabromazetylen, Quecksilber). Der Wärmeübergang von den glühenden Blasen kann
durch hochsiedende heiße Öle stark reduziert werden.
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Zweckmäßig ist es, die Hilfsflüssigkeit in möglichst heißem Zustand
zu verwenden, um den Wärmeübergang bei den hohen Temperaturen zu verringern. Liegt
die Temperatur der Hilfsflüssigkeit .etwas über ihrem Siedepunkt, so verdampft ein
Teil derselben mit den Auspuffgasen in den Auspuffraum hinein. Die verdampfte Hilfsflüssigkeit
kann, falls notwendig, durch irgendeine Art Kondensator, der von den Auspuffgasen
durchströmt wird, wiedergewonnen werden. Hierzu kann jedes Kondensationsverfahren
Verwendung finden.
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Bei Ölturbinen kann allenfalls das Heizöl selbst in heißem Zustand
als-Hilfsflüssigkeit dienen, in welche dann einfach die erstsprechende Druckluft
Ünter Verwendung irgendeiner Zündung eingemischt und zur Z'erbrennung gebracht wind.
Es verbrennt dann gewissermaßen die Luft in 01. Dabei verdampfendes urverbranntes
Öl muß .natürlich durch Kondensation wiedergewonnen werden.
Eigenartig
ist auch das Anlaßverfahren für die neue Gasturbine. Entweder wird durch Einlassen
von Druckluft mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit im Sinn einer Bewegung I-2-3-4-5-6-I
(Abb. I) ein anfängliches Kreisen der Flüssigkeit hergestellt, worauf sich durch
die Strömung der Hilfsflüssigkeit der Laufkörper langsam in Bewegung setzt. Darauf
werden Luft und Gas bzw. Öl in früher beschriebener Weise in die Verbrennungskammer
geführt und durch irgendeine der bekannten Zündvorrichtungen gezündet, worauf die
Arbeitsleistung der Brenngase beginnt.
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Oder es wird der Laufkörper samt seiner Welle durch irgendeinen turbinenartig
oder sonstwie gebauten, mit Preßwasser, Druckluft, Dampf, Elektrizität o.dgl. betriebenen
Hilfsapparat auf eine gewisse Drehzahl gebracht, bis die Hilfsflüssigkeit, welche
vorher in die Turbine einsgefüllt war, durch die äußere Drehung in einen Kreislauf
I-z-3-4-5-6-I gerät, worauf Luft und Gas bzw. Öl in die Verbrennungskammer geleitet
wenden und die Maschine zu arbeiten beginnt.
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Statt dessen kann auch der Umlauf der Hilfsflüssigkeit dadurch eingeleitet
werden, daß die Hilfsflüssigkeit selbst durch eine äußere Kraftwelle mit ziemlich
hoher Geschwindigkeit in der Richtung 5-6 in den Leitapparat eingelassen wird, um
durch eine Art Turbinenwirkung nach Entstehung des genannten Umlaufs den Laufkörper
in Bewegung zu setzen.
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Zwecks Anlassees kann ferner der Leitapparat in Drehung versetzt werden,
der dann als Pumpe wirkt, wobei Regelungsvorrichtungen zur Erzielung einer bestimmten
Strömungsrichtung angewendet werden können. Regelungsvorrichtungen, wie verstellbare
Schaufeln o.dgl., können auch in den Kreislauf zur Änderung der Leistung oder für
andere Zwecke eingebaut sein.
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Bei Ölturbinen kann das Heizöl und allenfalls auch Preßluft den Verbrennungskammern
durch Rohre zugeführt werden, welche nach einer oder, mehreren Bohrungen in der
Achse 7 des Laufkörpers führen, welchen Bohrungen das Öl bzw. die Preßluft in bekannter
Weise durch konzentrisch zur Achse liegende Stopfbüchsen, Labyrinthe u. dgl. zugeführt
wird.
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An denjenigen Stellen, an denen eine gegenseitige Einwirkung zwischen
der Flüssigkeit und den bewegten oder stillstehenden Organen. abgesehen von der
Führung, nicht auftritt. können Schaufeln oder Zwischenwände wegbleiben, jedoch
muß an diesen Stellen der Körper geschlossen sein.
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Bei Verwendung von Brenngasen, welche feste Bestandteile (Staub, Flugasche)
oder klebrige Verunreinigungen (z. B. Teere oder Teerdämpfe u. dgl.) enthalten,
kann der sonst bei Gasmaschinen oder -turbinen erforderliche Gasreiniger bei vorliegender
Erfindung gänzlich gespart werden, wenn die frischen Gase einfach in den auswärts
führenden Schenkel des Laufkörpers I-2 eingemischt werden. Die Verunreinigungen
werden alsdann von der Hilfsflüssigkeit aufgenommen, und können aus ihr in einfacher,
bekannter Weise, z. B. durch Zentrifugieren, entfernt werden (kontinuierlich oder
absatzweise). Für den Fall, daß als Hilfsflüssigkeit dauernd Frischwasser oder Seewasser
zugeführt wind, kann ein entsprechender Betrag dauernd ausgeblasen werden, der dann
die Verunreinigungen mitnimmt.
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Es kann vorteilhaft sein, 'die Umlaufsgeschwindigkeit der Hilfsflüssigkeit
an den einzelnen Punkten des Kreislaufes verschieden zu wählen; z. B. kann die Geschwindigkeit
nach den Stellen zum Ausmischen der Gasblasen hin (z und 4) verlangsamt werden,
damit ,die Blasen leichter austreten; andererseits ist es vorteilhaft, die Strömungsgeschwindigkeit
in dem einwärts führenden Schenkel, in der Nähe von 3 zu steigern, damit die heißen
Blasen möglichst schnell aus der Zone höchsten Druckes unter Expansion herausgeführt
und der Wärmeübergang verringert wird.
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Die Expansion der Gase kann bis ins Vakuum hinein erfolgen, wobei
dann irgendein Abgaskompressor in bekannter Weise verwendet wird.
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In vielen Fällen ist es vorteilhaft, die Einmischungsstelle 3 für
die heißen Gase, wie in Abb. 1 gezeichnet, ,auf etwas kleineren Radius 'zu legen
ass ,die Stelle z, um von z nach 3 hin einen Überdruck zu haben.
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Sollen die Gase mit einem gewissen überdruck entweichen (z. B. zur
Verwendung in einer weiteren Niederdruckgasturbine), so kann die Gasauepuffstelle
1o' evtl. auf größeren Radius als die Eintrittsstelle 1 gelegt werden.
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Es bann auch hie Gasturbine entweder dauernd oder vorübergehend für
bestimmte Belastungsfälle, z. B. für kleine Last, Marschfahrt öder Überlastung,
so betrieben werden, daß in. die Verbrennungskamnner Heizöl allein oder mit Druckluft
zerstäubt eingeblasen wird, während außerdem in beschriebener Weise Gas zugeführt
wird. Demgemäß kann der Betrieb abwechselnd oder gleichzeitig mit Gas und
01 erfolgen.