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Wärmekraftanlage- mit Dampf- und Gasturbinen und einem Dampferzeuger
mit Druckfeuerung Es. sind bereits zahlreiche Wärmekraftanilagen bekannt, welche
Kombinationen von Gasturbinen und Dampfturbinen enthalten, deren Dampferzeuger diie
Abwärme dies G-ashreises ausnutzen:, sowie Wärmekraftanlagen, bei welchen umgekehrt
die Gasturbinen die Abwärme des Dampfkreises ausnutzen. Es sind weiterhin Dampferzeuger
bekannt, bei denen der Feuerraum mit Verbrennungsluft unter Überdruck aufgeladen
wird, und bei denen der Turbokompressor nur die Rolle eines Hilfsmittels spielt,
welches die Aufgabe hat, das Niveau der Drücke und die Geschwindigkeiten der Verbrennungsgase
zu erhöhen, ohne indessen den Wirkungsgrad und die Leistung der Anlage zu ändern.
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D.ieErfindung bezweckt die Schaffung einer kombinierten Gas- und Dampfwärmekraftanlage,
welche: besondere Vorrichtungen enthält" um die Verteilung der Belastungen auf die
Turbinen zu verändern, die die Nutzleistung liefern. undi die für Belastungen, welche
zwischen Volllast und n edirigier Belastung liegen, einen gleichmäßigen Wirkungsgrad
zu erzielen, gestatten. In dem Gaskreis strömt da,s Antriebsmittel in einem offenen
Kre.i;s@, bei dem die Enditemperaturen, di. h. diie Temperaturen im Verbrennungsraum
und am Auspuff in, die Atmo-
| sphäre, in einem Verhältnis zueinander stehen,- d'ais |
| in bezug auf dien gebräuchlichen Wert vergrößert |
| ist, während die entsprechenden Enddrücke bei |
| etwa gleichbleibenden Betriebsbedingungen dieser-, |
| Gruppe in einem niedrigen Verhältnis, bleiben. Im-. |
| Gegensatz dazu strömt der Dampf in einem ge- |
| schlossenen Kreis, bei dem die Endtemperaturen-in |
| einem kleinen. Verhältnie und die Enddrücke in |
| einem erhöhten Verhältnis zueinander stehen. Die |
| höchste Temperatur in .dem zuerst genannten Gas- |
| kreis kann den theoretischen Wert erreichen, der |
| einer vollständigen Verbnennung entspricht, währ |
| rend die niedrigste Temperatur beispielsweise die |
| der Umgebung ist. Der Dampfkreis, dessen Wärme- |
| austausch mit dem - Gaskreis sowohl vor als auch |
| hinter der Gasturbine erfolgen. kann:, nimmt die ge- |
| s arntee Wärme auf, die der -Gaskreis- infolge -der zu |
| hohen oder zu niedrigen Temperatur Beis umlau- |
| fenden: Gases nicht unmittelbar in Arbeit hat um- |
| wandeln können, und! übernimmt die Umwandlung |
| dieserWärme in! mechanischeEnwrgie durchDampf- |
| aus idiehnunig b,is.auf niedrige Temperaturen. |
| Gemäß der Erfindung ist der unter Drück: arbei- |
| tende Feuerraum, des; Dampfkessels vor den Gas- |
| turbinen und, parallel. zur Brennkammer des offenen |
| Gas;turb-inienkreai,siliauf@es angeordnet, so diaß die |
| Leiiistung,des Dampfkreises welche sich zu der |
| Leisitung .des Gastkreises addiert, je- nach den Er- |
| fordernissen geregelt werden kann, indem dieir |
| Parallelstrom mehr oder weniger geöffnet wird. |
| Die Erfindung wird nachstehend an Hand der |
| . Zeichnunig an ;einigen |
| näher |
| erläutert. |
| Die @in Abb. i dargees,tellte Vorrichtung umfaßt |
| einerse ,ts eine. Gmiturhinenanla4e.bekannt@er A.rt in |
| offenem Kreislauf mit einem. Luftkompressor C, .der |
| durch eine Gasturbine . angeünieben. wird, die aus |
| zwei Expiansiiioniss,bufene; nämlich- der -Hochdruek- |
| twrbiinie TgHP und der Niedemdruckturbine-
TgBP |
| beisteht, welche in, Serie angeordneit siind und deren |
| Welilen durch eine lö,sbiaree-Kupplung-Ä miteinander |
| verbunden sind, ferner mit einer Verbrennumgs4 |
| kammer F, in welcher beispielsweise ein :flü:ss.iger. |
| Brennstoff verbrannt vv@ird, und mi,t einem Wärme- |
| austausicher R an der Awsfirittsisitelle leer Gase: für |
| die Lufterwärmung. Andererseits umfaßt die An@- |
| Lage eine Damp.fkraftanl!age mit einem, Dampf- |
| kessel Ch, der einen eigenen Feuerraum besitzt und |
| paml.lel zur Verbrennungskammer F angeordnet |
| ist. Ein Regler V ermöglichst, die Mengen an kom- |
| prianiertrer und erhitzter Luft, die-zum-Feuermum |
| des Dampfkessels Ch bzw. zur Verbrennungskam- |
| mer F -geleitet werdeni, vorne o bii!s: i.oloi°/a nach Wunsch |
| zu verändern. Die; warmen Gase vereinigen sich an |
| einer Stiellie hinter der Verbrennungskammer F und |
| dem Dampfkesisel Ch, dehnen sich, dann in der Gas, |
| turbdne; aus und durchlaufen danach dien Wärrne- |
| austauscher R, aus dem sie in die Atmosphäre ent- |
| weichen. |
| In dem Dampflzrei:sdauf besitzen die Turbinen |
| TvAh und TvAR keinen Abzapfvorwärmer für |
| Wasser, aber es .ist dem Dampfkessel Ch ein Ekono- |
| mieeer E vore7es:chaltet, welcher -dazu bestimmt isst, |
| die Wärme der Gas@e;_welche durch den Wärmekus- |
| tauscher R austreten, zum Erwärmen des Speise- |
| wassers: erschöpfend, aufzunehmen,. |
| . Auf Grund der Anordnung des Feuerraumes des |
| Dampfkessels Ch parallel zurVerbrennungskammer |
| sowie der Regielvorrichtung h, welche das Ver- |
| hältnis -der Luftmenbmen zu regeln gestattet" die zum |
| Feuerraum des, Kessels Ch bzw. zu der paralleil ge- |
| schalteten Verbrennungskammer F strömen, und |
| schließlich auf Grunddes-Vorhandenseins dieser Ver- |
| brennungskammer F, in der eine gemäß den durch |
| sie |
| Luftmengen regelbare Brennr- |
| stoffmenge verbrannt werden kann, ist es möglich, |
| die Antriebsleistungen des Gaskreises und des |
| Dämpfkreises, di. h. dien Lauf dies Luftkompres, |
| sors. C und die Erzeugung von Dampf unabhängig |
| voneinander zu regeln:- Insbesondere ist es möglich, |
| in einem sehr ausgedehnten Verhältnis, welches den |
| Wert von '8 : i überschreitet, die Nutzleistung der |
| kombinierten Gas-Dampf-Anlage zu verändern, ohne |
| die Drehzahl des den Dampfkesselfeuerraum auf- |
| lade.nidien Kompressors C zu verändern. Eis werden |
| nur das Verhältnis, der Luftmengen, die in die Ver- |
| brennungskammer F b:zw. in dien Feuerraum des |
| Darnpfkesisels Ch geführt; werden, und die B.renn- |
| stoffmenglen, die jeweils irii der Verbren@nungskam- |
| mer und im D.ampflcessel. verbraucht werden" ge- |
| re@@el. Zum B.-isp.iiel. wird; an der unteren, Leis,tungs.- |
| grenze die gesamte Luftmenge durch die Verbren. |
| nungskarnmer F und durch die Gasturh:ine geführt, |
| wobei verhältnismäßig wenig Brennstoff verbraucht |
| und dias @as:valum!en@..@1aa_. d_iej G_asturb@nie durch- |
| läuft-, annähernd konisitanti gehalten wird. Daraus |
| ergibt sich der dappehe Vorteil, daß die aus, Gas- |
| turbine und Kompressor bestehende Gruppe unter |
| gleichbleibenden :günstigsten |
| arbeitet und der nachteilige.Einfluß der Trägheit |
| dieser Gruppe auf .das AufmechLerhal.ten eines richr |
| Ligen sitöchii.om@etris:che:n Verh;älfiniisees von Luft zu |
| Brennstoff im Feuerraum- dies, Dampfkessels. Ch ver- |
| mieden wind,- wenn dieser Kessel unter stark ver- |
| ändierlirhen Betrie ibisbedingungen arbeitet. |
| . Die Erfindung.ist nicht auf die in Abb. i wieder- |
| gegebene. Anordnung beschränkt. Die Verbindung |
| von Gas- und Dampfturbinen kann vielmehr auch |
| in anderer Weisse ausgeführt werden. Bei dem dar- |
| gestellten Ausführunä#tsbeispiel ist die Gasturbine |
| in zwei Stufen unterteilst, nämlich: in den Hochr |
| drucktei@l TgHP, welcher dien Kompressor C mit |
| wenig veränderlicher Drehzahl antreibt, und dien |
| Niederdruckteil TgBP, welcher zusammen mit der |
| Dampfturbine die Nutzleistung auf die anzutrei- |
| bendie Welle A1 beispiel,s%weiise unter Vermittlung |
| ed.neis Redukti.o:usigetriebes Eg überträgt. . Es isst |
| möglich, den Wirkungs@gxad dieser Gasturbinen- |
| gruppe zu erhöhen, wenn eine. zusätzliche Vorwär- |
| munig der Gase, b@eispi@elsiwe:vsezwischen dien Tur- |
| binenteilen, TgHP und TgBP, vorgesehen, würde. |
| Da die Leistung-der Dampf@turhine im allgemei- |
| nen, viel höher als die Leistung der Gasturbine isst, |
| werden Drehzahländerungen, der Wärmekraftanlage |
| zwischen wei:terr Grenzen: bis. zu dem der Nutz- |
| leistung ider Gasturbine entsprechenden; kleinsten |
Wert auf einfache Weise dadiurch. erhalten:, daß der Regler h bestätigt
wird, ohne den Betriebszustand des Kompressors C zu verändern, solange die Fördermenge
dieses Kompressors zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffes im Feuerraum des
Dampfkessels Ch genügt.
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Die Absolutmengen von Luft und Brennstoff, die in den Dampfkessel
Ch zugeführt werden, müssen sich selbsttätig der Dampferzeugung an;-passen, während
der Reist der Luft durch die Verbrenniungskam.mer F strömt, in welche der Brennstoff
derart geregelt ein.ge:spritzt wird., d:aß die Drehzahl des Kompressors entweder
konstant gehalten oder nach einem gegebenen Verhältnis als Funktion. der Gesam:tlei,situng
verändert wird. Eine Berichtigung der Drehzahl des Kompressors ist nur an den beiden.
Enden dies Leistungsbereiches erforderl'ich,.
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Wenn die gesamte Wärmekraftanlage dazu bestimmt ist:, eine Schiffs-schraube
anzutreiben., besteht keine Schwierigkeit, eine RückwärtsdampfturbirieTvAR nach
bekannten Ausführungen vorzusehen. Während des Manövrierens läuft der Kompressor
mit einer relativ hohen Drehzahl derart weiter, daß er unverzüglich eine gen.ügendieLeistung
für diie Rückwärtsfahrt zur Verfügung s.telden; kann, während der N iPd@@rdruckteil
TgBP der Gasturbine bei A mechanisch vom; dem Hochdruckteil TgHP abgekuppelt wird
und .durch das Öffnen einer Absperrvorrichtung O und Schließen einer Abspeirrvorrichtung
0, die Gase im Nebenschduß geführt und, unmitt.elhar dem Wärmeaustauscher
R zugeleito t werden. Der Niederdruckteil TgBP der Gasturbine wird im Rückwärtsgang
leer mitgenommen, was keinen Nachteil bedieu.te-t, weil diese Maschine nur klein,
ist und nur- eine geringe! Anzahl von Expansionsstufen mit niedrigen Schaufeln,
enthält und da die Menge dies, durch, sie hirndurchgehendenGases höchstens gleich:
derjenigen eines Wärmeeirzeugers für eitle Dampfanlage allein von gleicher maximaler
Leistung ist,.
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Bei Langsamfahrt, bei der die Dampfturbine abgeschaltet ist, wird
sie im Leerlauf durch das Redukbions@getriebie mitgenommen und: der Dampfkessel
wird: dann einfach ohne erhebliche Abgabe unter Dampf gehaltem. Dabei können diie
Hilfsvorrichtungen: zum größten Teil elektrisch gesteuert werden.
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Aus der Berechnung ergibt sich unter Berücksichtigung der Menage des
in dem Dampfkessel zu verbrennenden Brennstoffes, daß ohne Änderung des Betriebes
der aus Turbine und Kompressor bestehenden: Gruppe undi mlit einem angenähert konstanten
Wirkungsgrad der gesamten Wärmekraftanlage die Nutzleistung in einem Verhältnis,
welches größer als 8 ist:, verändert werden kann, indem lediglich die Menge des
im Feuerraum des Dampfkesselis Ch zu. verbrennenden Brennetoffes gerebelt wird,
was zumiindest dann. gilt, wenn der Wirkungsgrad der antreibenden. Niederdruckgasturbine
TgBP unabhängig von der Gesumtlei,stu.ng ist, was der Fall ist, wenn die Drehzahl
des angetriebenen. Organs A1 im wesentlichen konstant bleibt, Wenn; dies aber nicht
der Fall ist, wie z. B. bei einer Schliffsschiraube, oder wenn, das Verhältnis der
Endileistungen größer als etwa 8,4 sein. soll, dann: ist es erforderlich, die Drehzahl
des Kompres-sors gleichzeitig mit der verlangten: Leistung derart zu erhöhen, d:a,ß
zugleich die Luftmenge und das Gefälle der in der Gasturbine auszunutzenden Wärme
(der Enthalpie) erhöht wird. Es genügt dann eine sehr geringe Veränderung dieser
Drehzahl, um beii einer Sch-iffs:s,chraube einen sehr ausgedehnten Leistungsbereich
zu erhalten.
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Sobald die Dampfturbine verwendet wird, vermindart sich der relative
Einfluß der durch die Gasturbine gelieferten Nutzleistung rasch. Wenn es daher notwendig
ist, in bezug auf den Wirkungsgrad der Gasturbine einenrKompromiß zu. schließen:,
dann soll dieser derart getroffen werden, daß diie Gasturbine ihren günstigsten
Wirkungsgrad bei Langsam- oder Marschfahrt des Schiffes hat, wobei dieser Wirkungsgrad
bei jeder Leistung ein mittlerer sein kann.
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In bezug auf dem Dampfkreisliauf ist zu bemerken, d:aß diesem bei
geringen Bellastungen: für Marschfahrt eine ausreichende Wirtschaftlichkeit durch
Verwendung einer kleinen (nicht dargestellten) Turbine vor der Hauptturbine gegeben
werden könnte, diie von dor Hauptturbine abkuppelbar und mit dieser in Reihe geschaltet
sein würde.
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Wenn umbekehrt erhöh :te Leistungen, nuir, ausnahmsweise verwirklicht
werden müssen, bei:spieleweise bei einem Kriegsschiff, kann; diie Dampfturbine als
Spitzenanlage mit mittlerem Wirkungsgrad behandelt werden und: daher einfach sein
(Verminderung des Vakuums im Kondensator, Herabsetzung der Größenabmessungen des
Kondensators, Verkleinerung der letzten Niederdruckräder der Turbine, Herabsetzung
der Zahl der Ausdehnungsstufen, dies Durchmeissers der Rohre usw.).
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Bei sehr geringen Leistungen:, bei deneni die. Gasturbinengruppe allein
verwendet wird, können gegiebenenfa,lls besondere Vorrichtungen bekannter Art verwendet
werden, um diie Fahrtumkehrung ohne Zuhilfenahme derDampfturbine, ohneSchrauben
mit verstellbaren: Flügeln und ohne Gasturbine für Rückwärtsfahrt d#urchzufiiliren.
Ihre technische Anwendung isst unter annehmbaren, Bedingungen: möglich:, da es sich
um die Übertragung geringer Leistungen handelt. Insbesonidere könneni hydrau. lische
Umkehrkupplungen, Kombinationen aus hy= draulischen und elektrischen Kupplungen,
Fahrtumkehrge;tri:obe, elektriischeAnßriebsmittel u@sw. verwendet "verden.
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Abb. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel:, bei dem die Welle der Gasturbinen
mit dien die Welle A1 antreibenden Geschwin:digkeitsreduktionsgetriebe Eg über eine
elektrische Übertragungseinrichtung verbunden ist, welche einen Generator G und:
einen Motor M enthält. Um eine Mitnahme der Welke A1 hei Rückwärtsfahrt durch die
Gasturbinen zu erhalten, genügt es, in bekannter Weise die Verbinrdungen zwischen
dem Generator G und dem Motor M z.u vertauschen, um dien Drehsinn des Motors M umzukehren.
Bei dieser Ausführungsform
.wird dras Absperrorgan 0 am Ausgang
de Hochdruckturbine überflüssig. Außerdem können die -beeiden Gasturbinen in einem
einzigen Gehäuse ün:teergebrachit werden.
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Eine andere Ausführun!gs(form würde: unter Zurgrundelegung edier Anordnung
nach Abb. i darin: bestehen, daß .der Hochdruckgasturbine TgHP und dem Kompressor
C ein Drehsinn gegeben wird, der demjeäigerk der Niederdruckgasturb.ine TgBP entgegengesetzt
ist. Bei Vorwärtsfahl t ist dann die Kupplung Ä zwischen den, beerden Gasturbinen
gelöst. Dag?egen wird bei. Rückwärts.fahrct diese Kupplung eingeschaltet und die
Niederdruckggas(turhine TgBP -durch .das Öffnern des Absperroirgans 0 und Schließen
des Absperrorgans 01 abgeschaltet, so da,fl die Mitnahme der- Welle A1 bei, Rückwärtsfahirt
durch: die Hochdruckgasturbine TgHP gesichert ist; wobei die Niederdruckturbine
in, einer zu ihrem Läufisimn bei: -Belastung umgekehrten Richtung leer mitgenommen
wird. Das Abschalten der Niederdrückgasrturbme TgBP erhöht .das Druckgefällte in
der Hochdruckgasturbine TgHP, welche dadurch .dune notwendige Leistung entwickeln
kann.
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Wenn -die vorgenannten Einrichtungen vorgesehen sind, um eine Fahrtumlt-brung
zu -gewährleisen, und wenn, das Schiff nicht imstande sein ruß,. schnell eine erhöhte
Leistung zu entwickeln" ist es nicht unbedingt notwendige dem. Hauptdampfkessel
unter Druck zu halten. Es. können, dann die Hilfseinrichtungen mit: elektrischer
Steuerung versehen sein; und die kleinen Dampfmengen, welche für den Luffiejektor
des Kondensators- und zum Speisender. dichten Gehäuse .der Dampfturbine notwendig
sind, können durch den Hilfsdampfkessel geliefert werden,. der gewöhnlich an Bord
jedes Schiffes. unabhängig angeordnet: .ist.
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.. Wenn die Hauptdampfturbine abkuppelbar ist, ist kein Dampfverbrauch
für dien; Antrieb mehr erforderlich, und, die in Betrieb befindlichen Hilfiseinri@chtungen
besrchränken seich auf die Schmierpumpe und auf die Pumpe für den Brennstoff der
Gasturbinengruppe; welche elektrisch gesteuert werden k_ önnen.
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"Wenn ,dfag -ein ,dies: Schiff in einem Bereitschaftszustand bleiben
ruß,, ist es, unentbehrlich, einen geringen Druck in der Hauptdampfturbine aufrecht
zuerhal@ten und die Hilfseinrichtungen der Dampfmaschine auf verminderter . Drehzahl
oder - in Arbeitsbereitschaft zu halten.
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'Der elektrische Generator, welcher die Hilfs.amr triebsmittel und,
die elektrische Anlage an Bord @ sp,eis@t, wird entweder durch einen unabhängigen
Motor oder durch den Turbokompressor angetrieben; - dessen Drehzahn wenig veränderlich
ist. - Der Turbokompressor kann außerdem die Speisepumpe des Dampfkessels Ch oder
einen der Tei;1e, dieser- Pumpe steuern.
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In; Abb. 3. ist eine Anordmiung dieser Art dargestellt, im. welcher
mit G1 der elektrische Generator, der für die elektrische Bordani.abe bestimmt ist,
und mit .P die Speisepumpe bezeichnet ist, welche den Dampfkessel Ch über den Wärmeaustauscher
R speist. Es--könnee-weiterhin vorgesehen: sein., daß die wichtigsten Hilfseinrichtungen
(elektrische Generatoren und Speisepumpe) mit- einer kleinen unabhängigen Gasturbine
verbunden werden, deren Antriebsgas unmittelbar vor der Niederdruckgasturbine TgBP
abgenommen wird und dann in den Wärmeeaustauacher R strömt. Wenn die Gasturbin:engr.uppe
allein; die Antriebskraft liiefert, kann der Energieverbrauch der Hilfseinrichtunigen
auf einem genügend kleinen Wert gehalten. werden:, um nicht die Energiebilanz bei
normaler Fahrt des Schiffes merklich zu beeinträchtigen.
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Sogar wenn; ,die Gasturbinenigruppe so ausgebildet ist daß sie für
sich alilein den gesamten Bereich der geringen Leistungen bis 1/s oder 1/4 der maximalen
'Lefistung durch eine kleine Veränderung ihrer Drehzahl, übernehmen kann, dann ist
offensichtlich auch die Möglichkeit gegeben, die Dampf -anliagge blis zu den praktisch
kleinstenLeistungen für denFall plötzlichen Manöverierens oder ausgedehnter-Drehzahländerungen
im Betrieb: zu halten, unter der Voraussetzung, daß die Drehzahl der aufs, Turbine
und Kompressor bestehenden Gruppe entsprechend verringert wird.
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Im allgemeinen und im Vergleich. zu den reinen Gasturbinenanlagen
gestatten die Anordnungen ge, maß: der Erfindung, den Bedarf an hochwertigen Spezialstählen
herabzusetzen und für den größeren Teil der Anlage die Erfahrung anzuwenden, welche
im Bau vorn Dampfmaschinen und den dafür geschaffenen Ausrüstungen erworben ist;
daneben ermöglichen sie den Wegfall von teuren Hüfseinrichtungen,wie z. B. vorn
Hi:lfsaufliadegebläsen großer Leistung.
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Bei der praktischen Durchführung ' besitzt die Vorrichtung gemäß der
Erfindung die Vorzüge der Elastizität und der Sauberkeit des geschlossenen Kreislaufes.
(das umlaufende Mittel ist Wasserdampf) ohne die. Unzuverlässigkeit eines Luftvorwärmens
mit hoher Temperatur und ohne die Trägheit und Komplikation vorn Einrichtungen zur
Veränderung des spezifischen Gewichts des Gases an einer Stelle einest geischdossenen
Gaskreises. Sie gestattet schließlich eine Herabsetzung der Größe der Flächen und
Leitungen von hoher Temperatur (Leitungssysteme, Gehäuse und Feuerungen der Gasturbinen
usw.), welche das Problem des Aufenthalts in ' beschränkten Räumen, wie z. B. auf
einem Kriegsschiff oder einem Handelsschiff odier auf einer Lokomotive, schwierig
machen.