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Verpuffungs-Gasturbine Es ist bekannt, Verpuffungs-Gasturbinen mehrstufig
auszuführen, in denen das Druckgefälle zwischen dem vom Ladedruck abhängigen Verpuffungsdruck
und dem Druck der Atmosphäre in einer ersten Stufe, der reinen Verpuffungsturbine,
bis auf den Ladedruck und das Restgefälle in weiteren, meist dauernd und unter nahezu
gleichbleibendem Druck beaufschlagten Stufen bis auf den atmosphärischen Gegendruck
verarbeitet wird. Durch diese Verbundwirkung wird ermöglicht, die Gefälle gegenüber
reinen (einstufigen) Verpuffungsturbinen zu vergrößern; die bisherige Aufteilung
des Gefälles derart, daß der Druck am ersten Rad gleich oder nahezu gleich dem Ladedruck
gehalten wird, hat aber den Nachteil, daß die Gefälle für das erste Rad gegen Ende
der Entladung immer kleiner werden, so daß das erste Rad nicht nur keine Arbeit
mehr leistet, sondern der langsam strömende Gasrest am Rad auch zu großen Stoß-
und Ventilationsverlusten Anlaß gibt. Weiter zwingt die verhältnismäßig niedrige
Entspannung auf einen Druck gleich Ladedruck zur Verwendung von wärmearmen Gemischen
oder zu starker Temperaturerniedrigung durch Wandkühlung, um die am Rade zulässigen
Höchsttemperaturen nicht zu überschreiten. Ist der Ladedruck hoch, so ergibt sich
für die zweite und folgenden Stufen der Gasturbine ein Treibgas, das wohl hohen
Druck, aber aus den für das erste Rad bestehenden Festigkeitsgründen verhältnismäßig
niedrige Temperatur hat. Die von diesem Turbinenteil erhältliche Leistung wird daher
gering und meist so gering, daß er kaum die seinetwegen geleistete Verdichtungsarbeit
aufbringt. Einen größeren Erfolg verspricht somit die Verbundgasturbine, wenn der
Druck am ersten Rad so gewählt wird, daß er wesentlich tiefer als der Ladedruck
ist, so daß auch die Entfernung des Abgasrestes, d. h. des auf Ladedruck entspannten
Kammerinhaltes, noch mit größerem Druckgefälle vor sich geht und das Druckgefälle
für die weiteren Turbinenstufen der am ersten Rad herrschenden Gastemperatur entspricht.
Nun ist allerdings schon vorgeschlagen worden, bei einstufigen, also reinen Verpuffungsturbinen,
die einen Ladedruck aufweisen, der höher ist als der Gegendruck am Rad, die Entspannung
der Treibgase in der Kammer nur bis zum Ladedruck erfolgen zu lassen und den Abgasrest
mit dem Ladedruck aus der Kammer zu schieben. Es wird mit dieser Maßnahme eine Kürzung
der Zeitdauer eines Arbeitsspieles bezweckt und auch erreicht, dagegen ist eine
Anpassung des Gefälles des Abgasrestes an die Umfangsgeschwindigkeit des Rades nur
bei ganz bestimmten Ladedrücken möglich. Zur Erreichung guter Wirkungsgrade muß
sich aber bekanntlich die durch das Gefälle bestimmte Treibgasgeschwindigkeit in
einem bestimmten Verhältnis zur Umfangsgeschwindigkeit des Rades befinden.
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Bei Verbundgasturbinen, die mit wesentlich höheren Ladedrücken betrieben
werden können, kann dagegen und soll erfindungsgemäß das zwischen dem Ladedruck
in der Kammer und
dem Gegendruck nach der letzten Stufe, also dem
Atmosphärendruck, bestehende Gefälle durch entsprechende Wahl des Druckes am ersten
Rad so aufgeteilt werden, daß sowohl der Abgasrest und etwaige Spülluft, die zu
dessen Verdrängung verwendet wird, am ersten Rad sowie die gesamte Treibgasmenge
vor der oder den nachfolgenden Stufen ein den Radumfangsgeschwindigkeiten entsprechendes
Gefälle erhält. Durch die sich hieraus ergebende wesentliche Erniedrigung des Radkastendruckes
unter den Kammerladedruck werden auch die eingangs erwähnten zu hohen Temperaturen
am Rad und die unzweckmäßige Leistungsverteilung der bisherigen Verbundgasturbinen
vermieden.
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In den Abbildungen sind zwei Diagrammsätze dargestellt, und zwar betrifft
Abb. z die bisherige mit höherer Aufladung betriebene, aus einem Verpuffungsturbinen-
und einem Dauerstrom- (Gleichdruck-) Turbinenteil bestehende Gasturbine, während
Abb. 2 die Arbeitsweise der neuen Gasturbine wiedergibt. Es ist A das Druck-Zeit-Diagramm
des Kreiselverdichters, B der zeitliche Druckverlauf während eines Arbeitsspieles
in einer Brennkammer und am Rade der Verpuffungsturbine und C der zeitliche Druckverlauf
vor der Dauerstrom-(Gleichdruck-) Turbine. Der Verdichter verdichtet die angesaugte
Luft auf Po und drückt sie- mit diesem Druck in die Kammern der Vepuffungsturbine
über. In den Kammern wird das Brennstoff-Luftgemisch (bei a) entzündet und erreicht
den Verpuffungsdruck P1. Nach Öffnen des bekannten Düsenventils (bei b) strömt das
hochgespannte Treibgas auf das Turbinenrad, wobei es auf Druck P2 entspannt wird.
Dieser Radkammer- oder Gegendruck der Verpuffungsturbine wurde meist gleich oder
wenig tiefer als der Aufladedruck Po gehalten. Gegen Ende der Entladung wird das
Gefälle also sehr klein. Noch kleiner ist das Druckgefälle, das für das Ausschieben
des Abgasrestes (von " c bis d) in der Kammer zur Verfügung steht. Das Gefälle,
das in der Dauerstromturbine zur Arbeitsleistung dient, ist P'2-P3, hierbei ist
P3 meist gleich dem atmosphärischen Außendruck.
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In Abb. 2, die die neue Betriebsweise veranschaulicht, ist A wiederum
das Druckdiagramm des Verdichters, B das Diagramm der Verpuffungsturbine und C das
Diagramm der Dauer -stromturbine. Die Arbeitsfläche der Turbine B besteht jetzt
aus zwei .Teilen, und zwar aus dem Verpuffungsteil B' und einem Gleichdruckteil
B". Es ist ferner der Gegendruck P" am Rade der Verpuffungsturbine wesentlich tiefer
als der Ladedruck Po. Sobald aber in der Kammer ein Druck gleich diesem Ladedruck
erreicht ist (etwa bei f), so öffnet das Einlaßventil die Brennkammer, und der Abgasrest
wird unter dem Einfluß des Ladedruckes unter gleichzeitiger Füllung der Kammern
mit frischer Brennluft durch die Düse aufs Rad geschoben. Erfindungsgemäß werden
nun der Ladedruck Po und der Gegendruck. P2 so bemessen, daß die Verarbeitung des
diesem Druckverhältnis entsprechenden Wärmegefälles am Rade mit gutem Wirkungsgrad
möglich wird. Dadurch, daß man das Treibgas bereits am ersten Rad auf niedrigeren
Druck entspannt, wird auch das Gefälle für die nachfolgenden Stufen und damit auch
die Verarbeitung dieses Gefälles mit besserem Wirkungsgrad bei geringer Stufenzahl
möglich. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß die Ventilationsverluste
im wesentlichen fortfallen, da das Rad fast dauernd mit arbeitsleistendem Treibgas
beaufschlagt wird. Durch Verlegung eines Teiles des Gleichdruckgefälles auf das
Verpuffungsturbinenrad wird weiter eine wesentliche Wirkungsgradverbesserung erzielt,
da nun bei gleichen Radtemperaturen und gleichen Verdichtungsdrücken die Anfangstemperatur
in den Brennkammern und des im Gleichdruckverfahren arbeitenden Abgasrestes bedeutend
höher sein kann, so daß mit größeren Gemischwärmen, also mit weniger Luftüberschuß,
d. h. geringeren Verdichtungsarbeitsaufwänden zu arbeiten möglich ist.