Die Gasturbine: Theorie, Konstruktion und Betriebsergebnisse von zwei ausgeführten Maschinen 9783486739114, 9783486739107

Table of contents :
Vorwort
Inhaltsverzeichnis
I. Abschnitt. Theorie der Gasturbine
II. Abschnitt. Konstruktion der Gasturbine
III. Abschnitt. Allgemeine Vergleiche
IV. Abschnitt. Versuchsberichte

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DIE GASTURBINE THEORIE, KONSTRUKTION UND BETRIEBSERGEBNISSE VON ZWEI AUSGEFÜHRTEN MASCHINEN VON

HANS HOLZWARTH INGENIEUR

MIT 140 IX DEN" TEXT GEDRUCKTEX ABBILDUNGEN

MÜNCHEN UND BERLIN DRUCK UXD VERLAG VON R. OLDENBOUKG

1911

Copyright 1911 by R. Oldenbourg, München.

Yorwort. Die in diesem Buch beschriebene Gasturbine verdankt ihre E n t s t e h u n g dem Zusammenarbeiten des Verfassers als geistigem Urheber mit Herrn Koinmerzienrat E r h a r d J u n g h a n s aus Schramberg als Financier. Nachdem die für nötig erachteten Schritte zur Sicherung der Schutzrechte im In- und Ausland getan, bzw. eingeleitet sind, d ü r f t e es nicht mehr zweckmäßig sein, den Bericht über diese Gasturbine der Öffentlichkeit vorzuenthalten. Die Mitteilungen über eine sich n u n m e h r durch drei Jahre hinziehende planmäßige Lösungsarbeit eines großen technischen Problems werden wohl das regste Interesse der theoretischen und praktischen Kreise des Maschinenbaus finden. Der Verfasser möchte an dieser Stelle der besonderen Verdienste des geschäftlichen Leiters des Unternehmens, des Herrn Kommerzienrat E r h a r d J u n g h a n s aus Schramberg, seines väterlichen Freundes, gerecht werden. Herr Kommerzienrat Erhard J u n g h a n s hat die gesamten, bedeutenden, finanziellen Opfer allein getragen, hat die Unabhängigkeit des U n t e r n e h m e n s stets zu sichern gewußt und nicht ein einziges Mal Bedenken geäußert, ob nicht das ganze Unternehmen ein Fehlschlag sein könnte. In welch hohem Maße durch diese vorbildliche geschäftliche Leitung die Entwicklung der Gasturbine ermöglicht und gefördert wurde, ist für jeden klar, der eine ähnliche Entwicklung schon mitmachte. Die Erstlingsturbine wurde nach meinen Angaben von Gebr. Körting, A.-G. H a n n o v e r e r b a u t ; die erste Betriebsturbine ebenfalls nach meinen Angaben von Brown Boveri Co. Baden-Mannheim, die außerdem die D y n a m o und das Gebläseaggregat lieferten. Beide Firmen setzten mich durch ihre b e k a n n t e vorzügliche Werks t ä t t e n a u s f ü h r u n g in die Lage, die Versuche ohne Störungen werkstattechnischen Ursprungs d u r c h z u f ü h r e n .

IV

Vorwort.

Brown Boveri Co. Baden-Mannheim stellten mir bei der Konstruktion und den Versuchen der großen Anlage ihre reichen Erfahrungen auf dem Gebiete des Dampfturbinenbaus in entgegenkommendster Weise zur Verfügung. Die Firma Julius Pintsch, A.-G. Berlin lieferte die Gasanlage, und Robert Bosch, Stuttgart die Zündeinrichtungen für die große Versuchsanlage in Mannheim. Auch diese Firmen förderten durch ihr Entgegenkommen und ihr liebenswürdiges Eingehen auf spezielle Wünsche die gemeinsamen Bestrebungen, der Gasturbine, einer rein deutschen Erfindung, zum Sieg zu verhelfen. Bei der Ausführung der Zeichnungen und der Vornahme der Versuche wurde ich in anerkennenswerter Weise durch Herrn Ingenieur Fritz Pfaller unterstützt. M a n n h e i m , 10. November 1911.

Hans Holzwarth.

Inhaltsverzeichnis. I. Abschnitt. Theorie der Gasturbine. 1. Kapitel: Aligemeinste Beschreibung des Gasturbinenprozesses . . . 2. » Allgemeine analytische Behandlung des Vorgangs bei ilor E n t z ü n d u n g , V e r p u f f u n g und Expansion 3. » E n t r o p i e d i a g r a m m , a n g e w a n d t f ü r dieselben Vorgänge . 4. » Arbeitsprozeß in der eigentlichen T u r b i n e 5. » Spülvorgang 6. » Ladungsvorgang 7. » Explosionsvvelle 8. » Einfluß der T e m p e r a t u r vor der Zündung. Motorischer Prozeß — Heizprozeß; 2 Zahlenbeispiele 9. » Einfluß der G a s l a d u n g ; W i r k u n g s g r a d k u r v e n ; 2 Zahlenbeispiule 10. » Einfluß der Größe der V e r b r e n n u n g s k a m m e r ; Zahlenbeispiel 11. » Mischung der Abgase mit Spülluft 12. » Bewegung der Spül- u n d Kühlluft 13. » Kompression des Gases bzw. Gasluftgemisches . . . . 14. » Regeneration der A b w ä r m e 15. » Regulierungsprinzipien 16. » Zusammenfassung

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II. Abschnitt. Konstruktion der Gasturbine. 17. Kapitel: Allgemeine A n o r d n u n g 18. » Verpuffungskammerring 19. » L u f t - und Gasventile 20. » Düsenventile 21. » Steuerung d e r Ventile 22. » Regulierung 23. » Zündung u n d Einstellung 24. » Hilfsapparate

87 93 96 98 101 104 105 100

VI

Inhaltsverzeichnis.

III. Abschnitt. Allgemeine Vergleiche. 25. Kapitel: Vergleich der Gasturbine mit der Gaskolbenmaschine thermodynamischer Hinsicht 26. » Vergleich der Gasturbine mit der Gaskolbenmascliine baulicher und betriebstechnischer Hinsicht 27. » Gasturbinenanlagen

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S6I16

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109 118 122

IV. Abschnitt. Versuchsberichte. 28. Kapitel: Versuche mit der Erstlingsgasturbine 29. » Versuche mit der ersten Betriebsgasturbine

125 141

I. Abschnitt.

Theorie der Gasturbine. 1.

Kapitel.

Allgemeinste Beschreibung des Gasturbinenprinzips. Wie aus den später beschriebenen Untersuchungen hervorgeht, ist für eine praktisch brauchbare Gasturbine folgendes unbedingt erforderlich: 1. Betrieb mit periodischer Verbrennung (Verpuffung) wie bei Gaskolbenmaschinen. 2. Abschluß des Raumes, in welchem die Verpuffung stattfindet (Verpuffungskammer), auf der Auspuffseite, gegen die eigentliche Turbine zu, wenigstens während des größeren Teiles der Ladung mit brennbarem Gemisch. 3. Abschluß der Verpuffungskammern auf der Beschickungsseite während der Verbrennungs- und Expansionsperiode. 4. Ausspülung der Verpuffungskammer mit Luft Pausen zwischen den einzelnen Verpuffungen.

während der

Es möge daher für die folgenden Betrachtungen gleich von einer Gasturbine ausgegangen werden, welche jene Eigenschaften besitzt und demzufolge mit Verpuffungskammern ausgestattet ist, sowohl auf der Auspuffseite mit Abschlußorganen (Düsenventilen, -Klappen), als auch auf der Beschickungsseite mit gesteuerten Ventilen oder dergl. ausgerüstet ist, von denen eine zur Zuführung von Luft in die Verbrennungskammer dient. Holzwarth.

Die

Gasturbine.

1

2

I. Abschnitt.

Gemäß Fig. 1 ist: A Verbrennungskammer, B vorgelagerter Luftbebälter, C vorgelagerter Gasbehälter, D gesteuertes Einlaßventil für Luft, E gesteuertes Einlaßventil für Gas, F Düsenventil (Klappe), G Düse, H Laufrad, J Auspuff. Solcher Verbrennungskammern sind mehrere im Kreise angeordnet. Ihre Beschickung erfolgt in bestimmter rhythmischer Reihenfolge: Durch je einen Kompressor irgendwelcher Art angetrieben auf irgendwelche Art, werden die Behälter B und C mit Luft bzw. Gas von geringer Spannung gefüllt gehalten resp. wird durch einen Exhaustor J unter Unterdruck gehalten. Durch die Einlaßventile D bzw. E gelangen Luft und Gas in den Verbrennungsraum A, und zwar nacheinander. Nachdem A mit Luft gefüllt ist, wird Gas eingeblasen; durch die erzeugte Wirbelung findet innige und gleichmäßige Mischung beider statt. Währenddessen bleibt Düsenventil F geschlossen. Unmittelbar nach erfolgter Zündung wird F durch den Explosionsdruck aufgestoßen, und die Gase müssen sich beim Durchgang durch die anschließende Düse G auf eine solche Geschwindigkeit beschleunigen, daß die erlangte Geschwindigkeitsenergie der in den explodierten Gasen enthaltenen disponiblen Energie entspricht. Diese Geschwindigkeitsenergie wird im Laufrad H ausgenutzt. Die entspannten Gase strömen durch J ab. Nach erfolgtem Durchströmen der expandierenden Gase wird Düsenventil F steuernd geschlossen, und zwar so langsam, daß die durch D nun eintretende Spülluft genügend Zeit findet, die Kammer A zu reinigen und der Turbine genügend Kühlluft zuzuführen. Fig. 1. Schematische Skizze der Gasturbine.

2. Kapitel. Allgemeine analytische Behandlung der Entzündung, Verpuffung und Expansion. Nachfolgend soll die Theorie der Gasturbine entwickelt werden, wie sie sich allmählich durch die Versuche und Überlegungen ergab.

Theorie der Gasturbine.

3

Das Gasluftgemisch ist, ganz allgemein gesprochen, beim Durchgang durch die Gasturbine folgendem Prozeß unterworfen: Unmittelbar vor der Zündung befindet sich in der Verpuffungs- oder Verbrennungskammerdas Gasluftgemisch im Zustand (p0 e 0 T0). p.i.T. Durch die an Verschiedenen Stellen jrjg. 2. E n t z ü n d u n g , Verpuffung, Expansionsdiagramm, gleichzeitig eingeleitete Zündung wird das Gasluftgemisch verbrannt oder verpufft und k o m m t dadurch in den Zustand f 1 7\). Es wird dabei vorausgesetzt, daß einmal diese Reaktion gesetzmäßig verlaufe (nicht stürmisch durch Explosionswelle, Explosionsstoß) zum andern, daß die gesamte verfügbare Wärme während der Verpuffung frei werde. Bis zu diesem Moment also spielt sich alles bei konstantem Volumen ab. Nach Erreichung des Zustandes Tj) werde die Verbindung mit der Turbine plötzlich geöffnet. Die hochgespannten Gase werden also nunmehr auf den hinter der Düse herrschenden Zustand (p 2 v2 T2) herunterexpandieren und gleichzeitig ihr disponibles Arbeitsvermögen in Geschwindigkeitsenergie umsetzen. In der Turbine selbst wird diese Geschwindigkeitsenergie in mechanische Arbeit umgesetzt. Im Zustand (p2 v2 T2) verlassen die Gase den eigentlichen Arbeitsprozeß, welcher hinter den Laufrädern beendet ist. Diese Zustandsänderungen sollen zunächst betrachtet werden, und zwar in allgemeinster analytischer Form, solange die Formeln nicht zu umständlich und unübersichtlich werden, sodann allgemeiner an Hand des Entropiediagramms. Diesen Zustandsänderungen geht voran ein gründliches Ausspülen und Kühlen der Verbrennungskammer mit Frischluft und anschließend daran die Ladung der Kammer mit dem Gasluftgemisch. Die Vorgänge während der Spülung und Ladung sowie des Arbeitsprozesses in der eigentlichen Turbine sollen in den nächsten Kapiteln auch zunächst in allgemeiner Form theoretisch untersucht werden. 1*

4

L Abschnitt.

Allen diesen Z u s t a n d s ä n d e r u n g e n spez. W ä r m e n z u g r u n d e gelegt werden.

+

cv = av c.p = av Zustand

sollen die F o r m e l n

u n m i t t e l b a r

für die

bT bT. v o r d e r Z ü n d u n g.

Die K a m m e r sei angefüllt m i t : g kg Gas v o m Heizwert I I , v o m spez. Gewicht y bei 0° C u. i at abs., u n d m i t I kg L u f t v o m spez. Gewicht

yluft

bei 0° G u. 1 at abs. Der I n h a l t der V e r p u f f u n g s k a m m e r sei V cbm. Es ist das v o m Gas eingenommene V o l u m e n : -

/gas

t,,J o 070) ¿'O

d a s von der V e r b r e n n u n g s l u f t eingenommene Volumen ist d e m n a c h v

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u n d das Gewicht / der V e r b r e n n u n g s l u f t in kg '

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p„ 273 Vlufl 7/ufl -: qn" -l J- 0

273 T/ — V/'luft Po T1 0

g

7lv.fl - ' 7gas

Das Gewicht der L a d u n g ist G=g

+ I.

Das Mischungsverhältnis des Gasgewichts zum L u f t g e w i c h t 1 : --(7 &

und die pro kg des Gemisches v e r f ü g b a r e W ä r m e m e n g e ist

Q=sH

Theorie der G a s t u r b i n e .

Verbrennung

oder

5

Verpuffung.

Das Freiwerden der Wärme wird dargestellt durch r. t, Q J

r

^

C v

'

d T

=

$CvdT-\-Qw',

273

273

worin noch bedeuten c v ' die spezifische W ä r m e des Gemisches vor der Verbrennung und QJ die auf 1 kg Ladung umgerechnete Wärmemenge, welche während der Verpuffung durch Strahlung und Berührung an die Wandung übertragen wird. CXbige Formel läßt sich auch schreiben: Ti

t,

j'(aB-\-bT)

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Q -f-

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