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Gasturbinen-Kra ftmaschine
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Die Erfindung betrifft Gasturbinen-Kraftmaschinen mit integriertem
kombiniertem Brayton-Rankine-Kreisproteß und insbesondere eine Steuervorrichtung
für eine derertige Kraftmaschine.
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Gasturbinen-Kraft.aschinen werden heutzutage für einen immer größeren
Anwendungsbereich einschließlich zum Antrieb von Kraftfahrzeugen und anderen Fahrzeugen
entwickelt. Bei vielen dieser Anwendungsbereiche ist es notwendig, daß die Kraftmaschine
in einem großen Bereich von Leistungswerten arbeitet und auf von einer Bedienungsperson
geforderte Änderungen der Leistungsabgabe rasch anspricht. Zwei Nachteile typischer
Gasturbinen bei diesen Anwendungsbereichen sind eine langsame Beschleunigung aus
dei verlauf oder niedrigen Leistungswerten und ein hoher Brennstoffverbrauch im
Leerlauf0 Das langsame Ansprechverhalten wird durch die Trägheit des Verdichters
verursacht; das heißt, die Zeite die erforderlich ist, um den Verdichter zu beschleunigen.
1k. ein verzögertes Ansprechen des Verdichters zu vermeiden, erden bei einigen Gasturbinen
sehr hohe Leerlaufdrehzahlen und Teile veränderlicher Btrömungsgeoietrie wie beispielsweise
Vordrallschaufeln
für den Verdichter verwendet. Diese Lösungen haben jedoch Nachteile wie beispielsweise
einen hohen Brennstoffverbrauch im Leerlauf und einen komplizierten Aufbau der Steuereinrichtung.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, Gasturbinen-Kraftmaschinen mit integriertem,
kombiniertem Brayton-Rankine-Kreisprozas zu verwenden.
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Derartige Kraftmaschinen sind in den US-Anmeldungen Serial No. 439
149 vom 4. Februar 1974 und Serial No. 532 747 vom 16. Dezember 1974 der Anmelderin
beschrieben. Bei diesen Kraftmaschinen empfängt eine Hauptleistungsturbine, die
im Brayton-Kreisprozeß arbeitet, ihre Luft von einem Verdichter, der unmittelbar
von einer zweiten Turbine angetrieben wird, die die Leistungsabgabekomponente eines
Rankine-Krsisprozesses bildet. Der Rankine-Kreisprozeß empfängt seine Wärmeenergie
von den Abgasen der Hauptleistungsturbine.
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Durch die vorliegende Erfindung sollen Gasturbinen-Kraftmaschinen
insbesondere mit integriertem, kombiniertem Brayton-Rankine-KreisprozeS verbessert
werden. Hierbei sollen insbesondere die typischen Gasturbinen-Nachteile eines langsamen
Beschleunigungsansprechverhaltens und eines hohen Brennstoffverbrauchs im Leerlauf
vermieden werden. Ferner soll durch die Erfindung eine Steuereinrichtung für solch
eine Kraftmaschine angegeben werden.
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Dies wird durch die in den Ansprüchen näher gekennrsichnete Erfindung
erreicht.
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Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen
Krftmaschine, die nach einem Brayton- und Rankine-Kreisprozeß arbeitet 3 Fig. 2
ein anderes Ausführungsfeispiel der Erfindung.
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Die Grundkomponenten der Kraftmaschine und der Bteuereinrichtung sind
in Fig. 1 gezeigt, in der die Kraftmaschine allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet
ist. Luft gelangt in die Kraftmaschine lu durch einen Einlaßkanal 12 und wird von
einem Verdichter 14 auf einen Druck von mehreren Atmosphären verdichtet. Ein Drosselventil
1O ist im EinlaBkanal 12 angeordnet und steuert die Luftströmung zum Verdichter
14 in einer Art und Weise, wie weiter unten noch erläutert wird.
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Von dem Verdichter gelangt die Hochdruckluft in eine Brennkammer 1eJs
wo Brennstoff zugeführt und gezündet wird, um die Temperatur der Luft zu erhöhen.
Die Verbrennungsprodukte werden durch die Hauptleistungsturbine 20 expandiert, die
mit der Last (nicht gezeigt) über eine Abtriebswelle 21 gekuppelt ist. Wärme von
den Turbinenabgasen wird dazu benutzt, den Wärmetauscher 22 (Kocher) eines ein organisches
Arbeitsmedium verwendenden geschlossenen flankine-Kreisprozesses zu betreiben. Luft,
die durch den Wärmetauscher 22 strömt
wird aus der Kraftmaschine
durch einen Auslaßkanal 24 abgeführt.
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Das Arbeitsmedium in dem Rankine-KreisprozeS, das vorzugsweise Toluen,
Pyridin oder ein ähnliches organisches Strömungsmittel ist, wird in den, Wärmetauscher
verdampft und zum Antrieb einer Rankine-Turbine 26 benutzt. Die Rankine-Turbine
26 und der Verdichter 14 des offenen Brayton-Kreisprozesses haben ihre Rotoren auf
einer gemeinsamen Welle 28, und die von der Rankine-Turbine 26 erzeugte Arbeit treibt
den Verdichter 14 an. Die Welle 28 erstreckt sich durch den Verdichter 14 hindurch
und über dessen Einlaßabschnitt 12 hinaus, um Zahnräder (nicht gezeigt) in einem
Getriebekasten 30 anzutreiben. Der Getriebekasten 30 weist Abtriebswellen 32 und
34 für den Antrieb einer Speisepumpe 36 und eines drehzahlverenderlichen Kühigebläses
38 auf. Der Getriebekasten 30 kann ferner dazu benutzt werden, weitere Nebenaggregate
anzutreiben.
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Die Rankine-Turbine 26 erhält ihren Dampf von dem Wärmetauscher 22.
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Der Wärmetauscher 22 ist in den AuslaBkanal 24 eingebaut und hat vorzugsweise
einen Aufbau entsprechend der US-PS 3 874 375, obgleich er auch von anderer Bauart
sein kann. Wie in der betreffenden Patentschrift gezeigt, besitzt der Zwischenprozeß-Wärmetauscher
22 einen ringförmigen Kern, der aus parallelen Rohren kleinen Durchiessers und derselben
Länge besteht, wobei die Rohre in konzentrischen schraubenförmigen Schlangen so
angeordnet sind, daS die strömung von der äuSersten Schlange nach innen fortschreitet,
während die Abgase radial nach außen strömen. Ein thermostatisches Drosselventil
40
ist in einem Kanal 42 angeordnet, der das verdampfte Gas von
dem Wärmetauscher 22 zu der Rankine-Turbine 26 leitet. Die Betriebsweise des Drosselventils
40 wird weiter unten beschrieben.
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Von der Turbine 26 gelangt das Niederdruck-Arbeitsmedium, das sich
noch in Dampfform befindet, durch einen Gegenstrom-Regenerator 44 und in einen Kondensator
48, wo es gekühlt und verflüssigt wird.
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Die Kühlung des Kondensators 46 wird durch das Kühlgebläse 38 unterstützt.
Von dem Kondensator 46 wird das verflüssigte Rankine-Arbeitsmedium über eine Leitung
48 an die Speisepumpe 36 abgegeben, die ihrerseits die Flüssigkeit an den Wärmetauscher
22 über die Leitung 50 und den Regenerator 44 abgibt, so daS die Flüssigkeit im
Wärmetauscher verdampft werden kann.
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Der Leistungspegel der kombinierten Kraftmaschine 10 wird dadurch
gesteuert, daß der Brennstoffstrom zu der Brennkammer 18 variiert und die Verdichter-Einlaßluft
über das Drossel ventil 16 gedrosselt wird. Diese Faktoren werden mittels einer
Steuereinrichtung 52 gesteuert. Die Steuereinrichtung 52 kann eine hydromechanische,
elektronische, Fluidik-Steuereinrichtung oder irgendeine Kombination dieser Steuereinrichtungen
sein und hat einen Aufbau, wie er typisch für existierende Gasturbinen ist. Die
8teuereinrichtung 52 vergrößer oder verringert die GröBe des Brennstoffstroms in
die Brennkammer 18 über eine Brennstoffpumpe (nicht gezeigt) in Abhängigkeit von
dem durch eine Bedienungsperson angegebenen Bedarf nach mehr oder weniger abgegebener
Leistung oder Drehzahl. Ein Fühler 54, der in der Brennkammer 16 angeordnet ist,
mißt die Turbinen-Einlaßtemperatur.
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Die Steuereinrichtung 52 spricht auf die Fühler-Eingangsinformation
an und hält in Abhängigkeit hiervon die Turbinen-Temperatur zwischen einer vorgegebenen
minimal und maximal zulässigen Temperatur. Ein zulässiger Bereich für die Temperaturen
ist beispielsweise 13000F bis 19000F. Die obere Grenze wird durch typische metallurgische
Überlegungen festgelegt, und die untere Grenze wird so gewählt, daß ausreichend
Wärme in den Abgasen der Turbine verbleibt um den Verdichter 14 mittels des Rankine-Kreisprozesses
kontinuierlich mit mehr als der halben Drehzahl anzutreiben.
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Die Steuereinrichtung 52 verringert den Brennstoffstrom um eine Überhitzung
der Turbine zu vermeiden, und bewegt außerdem das
Drosselventil
16 in eine geschlossenere Stellung, um eine zu niedrige Temperatur zu verhindern.
Die Steuereinrichtung 52 spricht auBerdem auf verschiedene andere eingegebene Parameter
an und arbeitet vorrangig (overrides) während des Anlassens der Kraftmaschine und
in Übergangszuständen. Diese Steuerungsmaßnahmen sind bei Gasturbinenanlagen üblich
und sind häufig notwendig, um ein Pumpen des Verdichters, ein Ausblasen des Brenners
und/oder eine zu hohe Drehzahl des Rotors zu verhindern.
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Bei hoher Leistung wird der Leistungspegel der Kraftmaschine dadurch
gesteuert, daß die Einlaßtemperatur der Leistungsturbine 20 verändert wird, während
sich das Drosselventil 16 im Verdichtereinlaß in der offenen Stellung befindet.
Wenn die Mindesttemperatur im Turbinen-Einlaß erreicht worden ist, wird eine weitere
Verringerung der Leistung durch Drosseln der Einlaßströmung erreicht. Während der
Drosselung bleiben die Drehzahlen der Rankine-Turbine 26 und des Verdichters 14
bei ungefähr 80* der maximalen Drehzahl, während der Massenstrom der Kraftmaschine
und der Brennstoffstrom abnehmen. Die Kraftmaschine kann am Einlaß gedrosselt werden,
bis das Druckverhältnis und die Arbeit der Leistungsturbine 20 nahezu Null sind.
Dies deshalb, weil der Verdichter 14 mittels Arbeit angetrieben wird, die von der
Abgaswärme allein abgeleitet wird. Der Luft- und Brennstoffstrom werden gleichzeitig
reduziert, so daB das Brennstoff/Luft-Verhältnis konstant bleibt. Somit bleibt die
Verbrennungsstabilität srhalten, und der Brennstoffstrom im Leerlauf kann sehr niedrig
sein. Da die
Einlaßtemperatur der Leistungsturbine 20 hoch bleibt,
bleibt die Abgastemperatur ebenfalls hoch. Die Temperaturen des Arbeitsmediums und
Metalls in dem Wärmetauscher 22 sind ebenfalls sehr hoch, so daß wenig thermische
Trägheit in dem Rankine-Kreisprozeß überwunden werden muß um die Kraftmaschine zu
beschleunigen.
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Näherungsweise bei Leistungswerten unterhalb 25% wird die Verdichter-Einlaßluft
durch das Drosselventil 16 gedrosselt, und die Einlaßtemperatur der Turbine 20 wird
konstant auf 13000F gehalten. Die Drosselung zur Leistungssteuerung ermöglicht est
daß die Drehzahl des Verdichters 14 hoch bleibt, wodurch die Beschleunigungsfähigkeit
sichergestellt wird. Die Drehzahl des Verdichters 14 ändert sich zwischen 60% und
100«l der maximalen Maschinendrehzahl und beträgt 60 bis 80; im Leerlauf.
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Der Rankine-Kreisprozeß wird durch das thermostatische Drosselventil
40 im Einlaß der Rankine-Turbine 26 gesteuert. Die 8teusreinrichtung für den Rankine-Kreisprozeß
ist unabhängig von der 6teuereinrichtung 52 für den Brayton-Kreisprozeß und arbeitet
vollautoeatisch. Ein kann eine hydromechanische, elektronische oder Fluidik-8teuereinrichtung
sein. Das Drosselventil 40 steuert den Massenstrom sot daß die Turbinen-Einlaßtemperatur
konstant gehalten wird. Bei einem organischen Arbeitsmediumewie beispielsweise Toluen,
hält das Drosselventil die Höchsttemperatur des Rankine-Frozesses auf konstanten
700 F. Der Turbinen-Ausgangsdruck ändert sich mit der Kondensator-Temperatur.
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Die Temperatur des Kondensators 46 wird dadurch gesteuert, daS die
Drehzahl des Kühlgebläses 38 geändert wird, das über einen drehzahl veränderlichen
Antrieb von dem Getriebekasten 30 angetrieben wird. Zu diesem Zweck sind Wärmefühler
56 und 58 im Kondensator 46 und im Einlaß 60 der Rankine-Turbine angeordnet.
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Die Fühler 56 und 58 sind mit der Steuereinrichtung 62 verbunden,
die in Abhängigkeit von dem von den beiden Fühlern erhaltenen Eingangssignal die
Betriebsweise des Kühlgebläses 38 regelt.
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Die Steuerung für die Gebläsedrehzahl ändert das Bebläse-Antriebs-Verhältnis
so, daß der Druck des Kondensators 46 in einem festen Verhältnis bezüglich des Drucks
im Turbinen-Einlaß 60 bleibt.
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Die Rankine-Turbine arbeitet daher ständig nahezu mit konstantem Wirkungsgrad,
da die Einlaßtemperatur und das Druckverhältnis konstant gehalten werden und der
Drehzahlbereich des Verdichters 14 aufgrund der Drosselung der Verdichter-Einlaßströmung
schmal ist.
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Wenn Pyridin als Arbeitsmedium für den Rankine-Kreisprozeß verwendet
wird, arbeitet der Rankine-Kreis vorzugsweise bei einer Turbinen-Einlaßtemperatur
von ?()O0F, eine. Turbinen-Einlaßdruck von 500 psia, einer Kondensator-Temperatur
von 163 0F und einem Kondensator-Druck von 3t56 psia. Zur Erhöhung des Wirkungegrades
wird ein Gegenstrom-Regenerator 44 verwendet0 Durch die vorliegende Erfindung wird
somit eine Kraftmaschine geschaffen, die sich durch geringe Werte an Abgasemissionen
auszeichnet,
die einfach hinsichtlich des konstruktiven Aufbaus
und des steuerungstechnischen Aufwandes ist, wodurch die Herstellungskosten verringert
werden und eine große Betriebssicherheit hergestellt wird, die außerdem eine Leistungsflexibilität
über einen großen Drehzahlbereich besitzt, wodurch sie kompatibel mit vorhandenen
Obersetzungen ist, die ferner ein schnelles Ansprechverhalten einschließlich guter
Beschleunigung aus dem Leerlauf aufweist und die schließlich einen hohen Wirkungsgrad
über einen weiten Leistungsbereich einschließlich eines geringen Brennstoffstroms
im Leerlauf besitzt.
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Um einen niedrigen Pegel an Abgasemissionen sicherzustellen, ist die
Kraftmaschine 10 so ausgelegt, daß die Lufteinlaßtemperatur des Brenners niedrig
ist, daB ein adäquater Brenner-Temperaturanstieg in allen Prozeßpunkten gegeben
ist und der Bereich der Brennstoff/ Luft-Verhältnisse in begrenztem Rahmen bleibt.
Die Bildung von Stickstoffoxid ist primär eine Funktion der Verbrennungshöchsttemperatur,
die ihrerseits direkt von der Brenner-Einlaßtemperatur abhängt. Die vorliegende
Kraftmaschine 10 läuft bei einer maximalen Brenner-Einlaßtemperatur in der Größenordnung
von 4800F, während typische Regenerator-Gasturbinen bei einer maximalen Brenner-Einlaßtemperatur
in der Größenordnung von 1100°F laufen.
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Um einen hohen Verbrennungs-Wirkungsgrad und niedrige Werte an Kohlenstoffdioxid
und Kohlenwasserstoffen zu erhalten, sind ein
genügend reiches
Gesamt-Brennstoff/Luft-Verhältnis und ein Brenner-Temperaturanstieg erforderlich,
um die Vermischung und Stabilität zu fördern. Der Bereich der Brennstoff/Luft-Verhältnisse
für die Kraftmaschine 10 zwischen festen Zustandspunkten liegt bei etwa 2 zu 1,
während Verhältnisse von 3 zu 1 und 4 zu 1 typisch für Luftfahrt-Gasturbinen sind.
Ein adäquater Anstieg der Brenner-Temperatur und ein adäquates Brennstoff/Luft-Verhältnis
werden bei nisdriger Leistung und im Leerlauf dadurch aufrechterhalten, daß die
Einlaßluft gedrosselt wird.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind alle wesentlichen umlaufenden Teile auf einer
gemeinsamen Achse angeordnet. Der Gasgenerator besteht aus einem Verdichter 80,
einer Rankine-Turbine 82 und einer als Zentrifugalpumpe ausgebildeten Speisepumpe
64, die mit der Welle 66 einteilig ist. Ein hydrodynamisches Radial-und Axiallager
66 ist nahe des Schwerpunkts des Rotors angeordnet und wird von dem Rankine-Arbeitsmedium
geschmiert.
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Ein Lager 94 stützt die Welle 66 an den am Kompressor BO angrenzenden
Enden ab und hat mit dem Getriebekasten 96 ein gemeinsames Schmiermittelsystem.
Eine Gleitdichtungsfläche zwischen dem Verdichter 80 und der Rankine-Turbine 82
wird von einem statischen elastomeren Dichtelement 98 abgestht das seine Sitz lauge
einnimmt, wenn ein negatives Druckverhältnis vom Lagerbehälter her vorhanden ist.
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Abgesehen von dem Dichtelement 98 ist der Rankine-Kreis hermetisch
abgedichtet.
Das einzige andere umlaufende Element des Rankine-Kreises ist die Hilfspumpe (nicht
gezeigt), die über eine abgedichtete Magnetkupplung von dem Getriebekasten 96 angetrieben
wird.
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Die Brayton-Leistungsturbine 100 ist eine einstufige Radialturbine
und ist an einem Ende der verbindenden Welle 86 fliegend gelagert.
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Die Leistungsturbine 100 läuft in Lagern 102 und 104 im Getriebekasten
96. Bei einer anderen Konfiguration kann eine Leistungsturbine mit doppeltem Ausgang
verwendet werden, um die axialen Lagerkräfte zu verringern und den Turbinen-Wirkungsgrad
zu erhöhen. Eine Oberholkupplung 106 ist auf der Welle 86 zwischen der Leistungsturbine
100 und dem Verdichter 80 vorgesehen. Die Überholkupplung 106 ist in dem Getriebekasten
96 angeordnet und so ausgebildet, daB sie eingerückt wird, wenn die Drehzahl der
Leistungsturbine 100 gleich oder größer der des Verdichters 80 ist, daß sie jedoch
ausgerückt wird, wenn die Drehzahl der Leistungsturbine unter diejenige Drehzahl
abfällt, mit der der Verdichter von der Rankine-Turbine allein angetrieben wird.
Die in Fig. 2 gezeigte gekuppelte Turbinen-Anordnung ermöglicht es, daß die Kraftmaschine
im gekuppelten Zustand bei einem größeren Verdichter-Druckverhältnis betrieben und
somit der Wirkungsgrad der Kraftmaschine erhöht wird. Sie hilft außerdem mit, zu
hohe Drehzahlen der Leistungsturbine aufgrund plötzlicher Laständerungen zu vermeiden.
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In jeder anderen Hinsicht ist der Aufbau der in Fig. 2 gezeigten Kraftmaschine
gleich dem der in Fig. 1 gezeigten Krartaaschine 10.
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Luft tritt in den Einlaßkanal 108 ein und wird durch das Drosselventil
110 gedrosselt. Die Luft wird dann vom Verdichter 80 verdichtet und dem Verbrenner
112 zugeführt, wo ihre Temperatur erhöht wird. Das erwärmte und verdichtete Gas
strömt dann durch die Leistungsturbine 100 und in den Wärmetauscher 114 (Kocher).
Die Abgase verlassen die Kraftmaschine Ober den Auslaßkanal 116.
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Im Rankine-Kreisprozeß wandert das erwärmte Arbeitsiedit- von den
Wärmetauscher 114 durch den Kanal 118 zu der Rankine-Turbine 82.
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Von der Rankine-Turbine 82 strömt das Arbeitsmedium durch den übrigen
Teil des geschlossenen Rankine-Kreises, ehe es zu dem Wärmetauscher 114 zurückkehrt.
Das Arbeitsmedium verläßt die Rankine-Turbine 100 als Niederdruckdampf und wandert
durch einen Regenerator 120 (Rekuperator) und einen Kondensator 122, wo es in seinen
flüssigen Zustand zurückgeführt wird. Die Flüssigkeit wird dann durch die Speisepumpe
84 (Ober Leitungen 90 und 92) und den Regenerator 120 geschickt, von wo es als vorerhitzte
Hochdruckflüssigkeit zu dem Wärmetauscher 114 zurOckgeführt wird. Ein drehzahlveränderliches
Kühlgebläse 124 steuert die Temperatur des Kondensators 122.
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Der Ostriebekasten 96 für den Antrieb der Nebenaggregate und die Drehzahlunterastzung
ist in ein zentrales Schmiermittelsystem eingeschlossen. Die Nebenaggregate der
Krarteaschine, die im Betrieb dauernd benötigt werden, wie beispielsweise die Brennstoffpumpe,
die ölpumpe, das Kondensatorgebläse und die Hilfspumpe, erden
von
der Welle 86 über Antriebszahnräder 126 angetrieben. Die Hauptuntersetzungszahnräder
128 und übrigen Nebenaggregate werden von der Leistungsturbine 100 angetrieben.
Die Hauptabtriebswelle 130 der Kraftmaschine wird ihrerseits über die Untersetzungszshnrilder
128 angetrieben.