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Mechanisch zeitweilig in einem ihrer normalen Laufrichtung entgegengesetzten
Sinn angetriebene Gasturbine Die Erfindung betrifft Gasturbinen, d. h. Turbinen,
welche durch unter Druck stehende heiße Gase angetrieben werden, welche im allgemeinen
durch ein Gemisch aus unter Druck stehender Luft und Verbrennungsgasen gebildet
werden und welche zeitweilig mechanisch in einem ihrer normalen Laufrichtung entgegengesetzten
Sinn angetrieben werden. Dies kommt insbesondere bei Gasturbinenanlagen für den
Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere Schiffen, vor. Diese Anlagen enthalten zwei
Turbinen, nämlich eine für die Vorwärtsfahrt und eine für die Rückwärtsfahrt, deren
Achsen entweder beständig auf Drehung miteinander verbunden sind oder durch ein
und dieselbe Achse gebildet werden, so daß die nicht mit Treibgas gespeiste Turbine
von der anderen dann arbeitenden Turbine in einem ihrer normalen Laufrichtung entgegengesetzten
Sinn angetriebenwird.
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Die in einem ihrer normalen Laufrichtung entgegengesetzten Sinn angetriebene
Turbine, welche im allgemeinen die Rückwärtsturbine ist, ruft hohe Leistungsverluste,
sogenannte Ventilationsverluste hervor, die darauf beruhen, daß diese Turbinen bei
dem genannten Antrieb als Kompressor arbeiten.
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Es sei hierbei bemerkt, daß diese Verluste bei Gasturbinen unvergleichlich
viel höher sind als bei Dampfturbinen, da die Ventilationsverluste von der Dichte
des
Mediums abhängen, in dem die entgegengesetzt zu ihrer normalen Drehrichtung angetriebenen
Turbinen arbeiten. Bei Dampfturbinen hat dieses Medium eine sehr geringe Dichte,
da der Auslaß der Dampfturbinen mit dem Kondensator in Verbindung steht, in dem
ein sehr hoher Unterdruck herrscht. Bei Gasturbinen steht jedoch der Auslaß mit
der umgebenden Luft in Verbindung, die unter Atmosphärendruck steht.
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Bei Dampfturbinen ist es schon vorgeschlagen worden, zur noch weitergehenden
Verringerung der an sich schon recht geringen Ventilationsverluste nicht nur die
Auslaßseite, sondern auch die Einlaßseite der Rückwärtsturbine in der Periode, in
der diese Turbine von der Vorwärtsturbine angetrieben wird, mit dem Kondensator
zu verbinden, so daß sämtliche Räder der Rückwärtsturbine während des Antriebs durch
die Vorwärtsturbine unter dem sehr weit getriebenen Unterdruck des Kondensators
stehen. Eine entsprechende Lösung ist bei Gasturbinen unanwendbar, weil kein Kondensator
vorhanden ist. Auch die Herstellung einer Verbindung zwischen dem Auslaßende und
dem Einlaßende einer Gasturbine, wie dies für Dampfturbinen vorgeschlagen ist, würde
keinen wesentlichen Erfolg haben, da ja dann die gesamte Gasturbine in unter atmosphärischem
Druck stehender, d. h. also verhältnismäßig dichter Luft umlaufen würde.
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Die Erfindung schlägt daher einen grundsätzlich anderen Weg vor, um
speziell bei Gasturbinen die bisher sehr erheblichen sogenannten Ventilationsverluste
vor allem der Rückwärtsturbine zu verringern. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden
am Austrittsende der Turbine eine oder mehrere Wände vorgesehen, welche beim Antrieb
der Turbine in einem ihrer normalen Laufrichtung entgegengesetzten Sinn den radialen
Austritt wenigstens eines Teils der von der Turbine mitgerissenen Luft verhindern
und seitlich des Turbinenrades oder, bei mehreren Turbinenrädern, des letzten Turbinenrades.
eine Kammer bilden, in welcher dieser Luftteil umläuft.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber
erläutert.
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Fig. i und 2 zeigen schematisch in einem Axialschnitt zwei Turbinenanlagen,
z. B. für den Antrieb der Schraubenwelle eines Schiffes, deren jede eine erfindungsgemäß
ausgebildete Turbine für die Rückwärtsfahrt aufweist, wobei die beiden Turbinen
für Rückwärtsfahrt dieser Figuren zwei Ausführungsformen der Erfindung darstellen.
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Fig. 3 zeigt die Abwicklung eines Teiles der Beschaufelung eines Turbinenrades,
und Fig. 4 zeigt den üblichen Einbau eines Turbinenrades in seinem Gehäuse. Diese
beiden Figuren dienen zur Erklärung der Erscheinungen, welche bei den gegenwärtigen
Turbinen große Energieverluste verursachen, wenn diese in einem ihrer normalen Laufrichtung
entgegen-. gesetzten Sinn. angetrieben werden.
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Die Erfindung ist nachstehend in ihrer Anwendung auf eine Gastürbinenanlage
mit einer Rückwärtsturbine und einer Vorwärtsturbine, deren Achsen zusammenfallen
oder beständig miteinander .gekuppelt sind, erläutert. Eine. derartige- Anlage enthält
eine Vorwärtsturbine A und eine Rückwärtsturbine B. Die erstere hat
praktisch mehrere ebenso viele Entspannungsstufen bildende Räder i, während die
zweite ein einziges Rad 2 (Fig.2) oder mehrere Räder 2, 2a (Fig. i) haben kann.
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Die Räder i und 2 der beiden Turbinen A und B
sind auf
einer gemeinsamen Welle 3 befestigt, welche in der Vorwärtsrichtung angetrieben
wird, wenn die Turbine A mit Treibgas gespeist wird, während sie bei Speisung der
Turbine B mit Treibgas in entgegengesetztem Sinn (Rückwärtsfahrt) angetrieben wird.
Jede dieser Turbinen besitzt ihre eigene Speiseleitung 4 (Turbine A) bzw.
5 (Turbine B), deren jede mit einer geeigneten Steuervorrichtung versehen
ist, welche schematisch in Fig. i und 2 durch j e eine Klappe dargestellt ist. Nach
der Entspannung in der Turbine A oder B gelangen die Treibgase in
eine gemeinsame Auslaßleitung 6.
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Es hat sich gezeigt, daß bei derartigen Anlagen die nicht mit Treibgas
gespeiste und von der anderen Turbinain einem ihrer .eigenen Laufrichtung entgegengesetzten
Sinn angetriebene Turbine verhältnismäßig große Energieverluste verursacht. Diese
Verluste rühren davon her, daß die von der anderen Turbine in einem ihrer normalen
Laufrichtung entgegengesetzten Sinn angetriebene Turbine als Verdichter arbeitet
und daß die in der von der als Verdichter arbeitenden Turbine mitgerissenen Luft
aufgespeichert - Energie praktisch vollkommen verlorengeht.
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Fig. 3 'und 4 erläutern diese Verhältnisse genauer. Fig. 3 zeigt die-
Abwicklung eines Teiles der Beschaufelung eines Turbinenrades mit gekrümmten Schaufeln
7, welche zwischen sich Eintrittsspalte 8 und Austrittsspalte g begrenzen. Der von
den Schaufeln mit der Hauptebene des Rades gebildete Winkel ist auf der Seite der
Eintrittsspalte 8 erheblich größer als auf der der Austrittsspalte g. Wenn ein derartiges
Rad mit Treibgas gespeist wird, welches durch die Spalte 8 zwischen die Schaufeln
tritt und durch die Spalte g austritt, wird es in der Richtung des Pfeils a angetrieben.
Wenn dagegen das betreffende Rad nicht gespeist, sondern mechanisch in entgegengesetztem
Sinn (Pfeil b) angetrieben wird, arbeiten die Schaufeln des Rades wie die Schaufeln
eines Strömungsverdichters. Die Luft wird am Fuß der Schaufeln angesaugt und auf
der Seite der Austrittsspalte 9 in einer Richtung (Pfeile c und cl) ausgeworfen,
welche die Resultierende der Geschwindigkeit d der Luft gegenüber den Schaufeln
und der Umfangsgeschwindigkeit e der Schaufeln selbst ist.
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Bei den schematisch im Schnitt in Fig. 4 dargestellten bekannten Gasturbinen
tritt die durch das Turbinenrad io in Bewegung gesetzte Luft frei in Richtung des
Pfeils cl in das Auslaßsammelrohr aus, so daß das Rad io bei seinem Antrieb in einem
seiner eigenen Laufrichtung entgegengesetzten Sinn beständig neue Luftmassen von
einer in der. Nähe von Null liegenden Geschwindigkeit bis zu der durch die Pfeile
c, cl angebenen bedeutenden Geschwindigkeit beschleunigt. Diese für die Beschleunigung
der beständig erneuerten Luftmassen erforderliche Energie geht praktisch verloren
und erklärt die erheblichen
Verluste, welche durch den mechanischen
Antrieb des Rades io in diesem Drehsinn verursacht werden.
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Es ist noch zu bemerken, daß diese Verdichter< wirkung besonders
groß auf der Seite .der Austrittsspalte der Beschaufelung des letzten Turbinenrades
ist, da diese Seite dem Auslaßsammelrohr unrriittelbar benachbart ist, während diese
Wirkung auf der Eintrittsseite des Rades praktisch vernachlässigbar ist, da .der
Verteiler auf dieser Seite liegt und die Zufuhr von Frischluft durch die Schließung
der in der Einlaßleitung der Turbine angeordneten Klappe verhindert wird.
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Zur Verringerung dieser Verdichterwirkung auf der Seite der Auslaßspalte
des Tubinenrädes, wenn die Turbine nur ein einziges Rad besitzt, oder des letzten
Turbinenrades, wenn die Turbine mehrere ebenso viele Entspannungsstufen bildende
Räder besitzt, werden erfindungsgemäß auf dieser Seite eine oder mehrere Wände vorgesehen,
welche wenigstens einen erheblichen Teil der von der sich entgegengesetzt zu ihrer
normalen Laufrichtung drehenden Turbine mitgerissenen Luft verhindern, radial auszutreten,
und diesen Luftteil zwingen, beständig in einer Kammer umzulaufen, welche von dieser
Wand oder diesen Wänden seitlich von der Beschaufelung des Turbinenrades und auf
der Seite der Austrittsspalte dieser Beschaufelung gebildet wird. , Es ist klar,
daß diese Grundanordnung auf verschiedene Weise verwirklicht werden kann. So kann
man z. B. die das Turbinenrad oder die Turbinenräder umgebende Wand ix über dieses
Rad oder das letzte Rad nach dem Innern des gemeinsamen Sammelrohrs 6 zu verlängern
und den freien Rand dieser Verlängerung so umbiegen, daß eine Randleiste 12 entsteht,
so daß eine Kammer seitlich von dem letzten Turbinenrad 2" (siehe Fig. i) auf der
Seite der Austrittsspalte seiner Beschaufelung gebildet wird.
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Die Luft in dieser Kammer wird an dem unmittelbaren Austritt in das
Auslaßsammelrohr 6 gehindert und wird durch das Rad 2" um die Achse der Welle 3
in Umdrehung versetzt. Diese Luft bildet somit einen sich drehenden pneumatischen
Ring, welcher seitlich von den Austrittsspalten der Beschaufelung des Rades 2" liegt
und eine nennenswerte Verdichterwirkung desselben verhindert.
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Natürlich tritt trotzdem eine gewisse Luftmenge durch den Ringspalt
13 zwischen dem Innenrand der Randleiste 12 und der Welle 3 der Turbine aus, diese
durch 13 austretenden Luftmengen und die durch 13 zum Ersatz der ausgetretenen
Luft eintretenden Frischluftmengen sind jedoch erheblich kleiner als die in den
schematisch in Fig. q. dargestellten bekannten Turbinen in Bewegung gesetzten Luftmengen.
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Wenn die Turbine B der Fig. i mit Treibgas gespeist wird, treten diese
Gase natürlich nach ihrer Entspannung in dieser Turbine frei durch den Ringspalt
13 in das Auslaßsammelrohr 6 aus.
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Gemäß einer anderen, in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung
werden die Wände, welche die Kammer bilden, in welcher beim Antrieb der Turbine
B durch die Turbine A ein von dem Rad 2 der Turbine B in Umdrehung
versetzter pneumatischer Luftring entsteht, einerseits durch eine Verlängerung 1q
der das Rad 2 der Turbine B umgebenden Wand und andererseits durch eine Scheibe
15, welche mit der Welle 3 fest verbunden ist und sich mit dieser dreht, gebildet.
Zwischen den freien Rändern der Wände 1q. und 15 bleibt ein Spalt bestehen, damit
die Treibgase in das Ausla;ßsammelrohr 6 austreten können, wenn die Turbine B mit
diesen Gasen gespeist wird. Die Breite dieses Spalts ist jedoch so klein, daß der
Luftaustritt in das Sammelrohr und der Eintritt von Frischluft in die durch die
Wände 1q. und 15 gebildete Karrimer erheblich gebremst wird, wenn die Turbine B
durch die Turbine A in dem ihrer eigenen Laufrichtung-entgegengesetzten Sinn angetrieben
wird.
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Gemäß einer anderen". nicht in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform
könnten die die seitlich von dem Rad 2 der Turbine B oder dem letzten Rad dieser
Turbine auf der Seite der Austrittsspalte der Beschaufelung dieses Rades liegende
Kammer bildenden Wände vollständig von der sich drehenden Welle 3 getragen werden,
anstatt zum Teil an dieser Welle und zum Teil an dem Gestell der Turbine vorgesehen
zu sein.
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Gemäß einer anderen, ebenfalls nicht dargestellten Ausführungsabwandlung
könnte die auf der Seite der Auslaßspalte des Rades 2 (Fig. 2) oder 2" (Fig. x)
angeordnete Kammer vollständig geschlossen werden, und in den diese Kammer bildenden
Wänden könnten Öffnungen vorgesehen werden, welche durch einen Schieber oder einen
anderen entsprechenden Teil gesteuert werden, welcher diese Öffnungen nur öffnet,
wenn die die Einlaßleitung 5 steuernde Klappe in ihre Öffnungsstellung gebracht
wird.
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Bei den beiden in Fig. i und 2 dargestellten Ausführungsformen der
Erfindung ist nur die Rückwärtsturbine B mit Wänden ausgerüstet, welche den unmittelbaren
Austritt der von dem Rad 2 oder 26 in Bewegung gesetzten Luft in das Auslaßsammelrohr
6 verhindern, während die Vorwärtsturbine A keine derartigen Wände aufweist. Dies
erklärt sich daraus, daß im allgemeinen die Rückwärtsturbine in einem ihrer eigenen
Laufrichtung entgegengesetzten Sinn angetrieben wird, während dies bei der Vorwärtsturbine
nur selten vorkommt; man kann aber natürlich auch die Vorwärtsturbine mit Mitteln
ausrüsten; welche den für die Rückwärtsturbine vorgesehenen entsprechen.
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Es ist noch zu bemerken, daß die Verluste, deren Verringerung durch
die vorliegende Erfindung bezweckt wird, praktisch bei einer Dampfturbinenanlage
nicht auftreten, da bei derartigen Turbinen infolge der Kondensation des Dampfs
in dem Auslaßsammelrohr ein sehr niedriger Druck herrscht, welcher die Verdichterwirkung
der entgegengesetzt zu ihrer eigenen Laufrichtung angetriebenen Turbine vernachlässigbar
macht. Die Verhältnisse sind jedoch bei einer Gasturbine ganz andere, da in dem
Aüslaßsammelrohr 6 einer derartigen Turbine der Atmosphärendruck herrscht. Schließlich
ist noch zu bemerken, daß man bereits bei Dampfturbinenanlagen eine radiale Wand
vorgesehen hat, welche der in Fig. 2 dargestellten Wand i5 ähnlich ist. Diese bekannte
Wand diente jedoch nicht zur Bildung einer mehr oder weniger geschlossenen Kammer
mit der obigen Wirkung,
sondern hatte einzig und allein zum Zweck,
ein Auftreffen des die Rückwärtsturbine durchströmenden Dampfs auf den hinteren
Teil des letzten Rades der Vorwärtsturbine und somit eine Bremsung des Antriebs
der Gesamtanordnung der Turbine indem der Rückwärtsfahrt entsprechenden Sinn zu
verhindern.