Ueber ein Verfahren zum Betrieb von Gasturbinen. Von F. Meineke, Diplom-Ingenieur. Ueber ein Verfahren zum Betrieb von Gasturbinen. Den bisherigen Versuchen, eine Gasturbine zu konstruieren, legte man das Arbeitsverfahren der Gasmotoren zugrunde, indem man ein Gemisch von Brennstoff und Luft bei konstantem Volumen verbrennen liess. Diese Versuche müssen von vornherein als aussichtslos betrachtet Werden, weil das Verfahren einen ununterbrochenen Betrieb und die Erzeugung eines konstanten Druckes ausschliesst; beides sind aber die Vorbedingungen für dasrationelle Arbeiten der Turbinen, welche ja bei konstanter Umlaufszahl auch eine ganz bestimmte, gleichförmige Ausströmgeschwindigkeit oder Druckdifferenz der Arbeitsflüssigkeit verlangen. Ferner erfordert das Verbrennen bei konstantem Volumen einen abgeschlossenen Raum, also auch Ventile, und des periodischen Betriebes wegen Zünder, man vermeidet also gerade diese am meisten zu Störungen führenden Teile nicht. Bei der Gasturbine muss man also die Verbrennung bei konstantem Volumen verlassen und das Gemisch bei konstantem Druck in einem unverschlossenen Raum verbrennen lassen; daraus ergibt sich dann von selbst der ununterbrochene Betrieb. Die Expansion der Verbrennungsgase geschieht unter Umsetzung ihres Druckes in Geschwindigkeit in der Düse einer Gasturbine, die sich nur durch die Kühlung der Düsen von einer Dampfturbine unterscheidet. Man könnte die Expansion zur Verminderung der Ausströmgeschwindigkeit auch zum Teil in die Turbine selbst verlegen (also eine Reaktions- oder mehrstufige Druckturbine verwenden), man wird hiervon aber aus praktischen Gründen absehen, damit nur durch Expansion abgekühlte Gase mit dem Turbinenrad in Berührung kommen. Die Expansion würde ohne die Reibungs- und Wirbelungsverluste adiabatisch verlaufen, tatsächlich nimmt aber die Entropie zu, sodass der Expansionskoeffizient n des Expansionsgesetzes pvn = konst. kleiner als k\,\left(=\frac{\mbox{Spez. Wärme b. konst. Volumen}}{\mbox{Spez. Wärme b. konst. Druck}}\right) wird; es sei jedoch zunächst von dieser Abweichung abgesehen. Die Kompression des frischen Gemisches wird ebenfalls angenähert adiabatisch erfolgen, sodass der Kreisprozess der Gasturbine aus 2 Zustandsänderungen bei konstantem Druck – Wärme-Zufuhr und -Abfuhr – und 2 adiabatischen Zustandsänderungen – Expansion und Kompression – besteht. Textabbildung Bd. 319, S. 638 Fig. 1. Ein solcher Kreisprozess ist schon früher verwendet worden und zwar bei den offenen Heissluftmaschinen, speziell den Feuerluftmaschinen. Bei dem damaligen Stand der Technik konnte der Wirkungsgrad kein guter sein, weil man in der Wahl der Temperaturen, zwischen denen man den Prozess durchführen will, zu sehr beschränkt war; die höchste Temperatur T1 (Fig. 1) musste so gewählt werden, dass sie von Zylinder und Kolben ohne Schaden ausgehalten werden konnte. Lässt man die Expansion aber nicht in einem Zylinder, sondern in einer leicht zu kühlenden Düse stattfinden, so treten die Gase mit der am Ende der Expansion herrschenden Temperatur in die Turbine, also mit der Temperatur, mit der sie den Zylinder der alten Feuerluftmaschinen verlassen hätten. Es spielt also bei der Gasturbine die Temperatur T4 die Rolle, die der Temperatur T1 bei der Heissluftmaschine zufiel; man kann daher zwischen bedeutend weiteren Temperaturdifferenzen arbeiten und den Wirkungsgrad des Kreisprozesses wesentlich verbessern. Seine Durchführung gestaltet sich sehr einfach. Man braucht zunächst einen Verbrennungsraum, der aus einem zylindrischen Gefäss besteht, das im Innern mit feuerfestem Material ausgekleidet ist und dessen Rauminhalt so bemessen wird, dass ein gegebenes Volumen von Luft und Gas darin genügende Zeit zum Verbrennen findet. Das verbrannte Gemisch strömt zur Vermeidung von Wärmeverlusten auf möglichst kurzem Wege zu den Düsen der Turbine, in denen die Expansion, verbunden mit Temperaturerniedrigung, stattfindet. Nach Durchströmen des Laufrades lässt man die Gase mit der Temperatur T4 ins Freie treten, wenn man den ganzen Prozess oberhalbdes Atmosphärendruckes durchführt. Da jedoch der Ventilationswiderstand des Laufrades einen grossen Teil des ganzen Arbeitsverlustes erzeugt und mit der Dichtigkeit der Luft wächst, ist es zweckmässig, die Gase unter die Atmosphäre expansieren zu lassen. In diesem Falle kann man die Abgase nicht ins Freie treten lassen, sondern man erniedrigt ihre Temperatur bei konstantem Druck durch einen Röhrenkühler auf T2 und komprimiert sie dann auf Atmosphärendruck, wodurch ihre Temperatur auf Zusteigt. Die Kompressionsarbeit von p2 v2 auf p3 v3 wird also in zwei Teile zerlegt, von denen der zweite die Kompression der Luft vom Zustand p5 v5 auf p3 v3 besorgt. Ein Teil der vorher von dem Abgase abgegebenen Wärme wird zur Vorwärmung der Verbrennungsluft auf die Temperatur T5 benutzt; wird nur oberhalb der Atmosphäre gearbeitet, so findet einstufige Kompression der Luft von der Temperatur T2 auf T3 statt und eine Vorwärmung entfällt hier. Textabbildung Bd. 319, S. 638 Fig. 2. Zum Komprimieren einen Kompressor zu verwenden würde der Absicht, hin- und hergehende Massen und Ventile zu vermeiden, widersprechen; man wird vielmehr einen auf die Turbinenwelle gesetzten Ventilator verwenden. Bis jetzt hat man zwar Ventilatoren nur für niedrige Pressungen gebaut, mit Hilfe der Erfahrungen des Turbinenbaues lassen sich aber auch sehr grosse Druckdifferenzen erzielen durch Umkehrung des in den Turbinen sich abspielenden Vorganges. Man hat eine Turbine einfach rückwärts laufen zu lassen und dafür zu sorgen, dass die Luft mit der Geschwindigkeit dem Laufrad zuströmt, mit der sie es bei der Turbine verlassen würde. Die Luft tritt dann aus dem Laufrad mit sehr grosser Geschwindigkeit, die durch passende Leitschaufeln oder Düsen in Druck umgesetzt wird. Die durch die Kompression auf T3 erwärmte Luft führt man dem Verbrennungsraum (schematisch in Fig. 2 dargestellt) zu, wobei man zur möglichsten Vermeidung von Wärmeverlusten den eigentlichen Verbrennungsraum ummantelt und die Luft vor ihrem Eintritt in diesen durch den so gebildeten Zwischenraum leitet. Der Brennstoff wird bei B zugeführt und zwar muss dieser Teil verschieden gestaltet sein, je nachdem er in festem, flüssigem oder gasförmigem Zustand verwandt wird. Flüssige Brennstoffe wird man in derselben Weise wie beim Dieselmotor mittels Pumpe und Zerstäuber zuführen, nur muss die Zufuhr ununterbrochen, aber in regelbarer Menge geschehen. Die Verwendung fester Brennstoffe ist beim Dieselmotor zwar nicht gelungen, hier liegen die Verhältnisse aber anders als bei der Kolbenmaschine, da man der Staubkohle infolge des kontinuierlichen Betriebes genügend Zeit zum Vergasen geben kann. Der unvermeidlichen Flugasche wird man Gelegenheit geben müssen, sich abzusetzen, damit sie nicht in die Turbine gelangt; wenn es nicht gelingen sollte, sie zurück zu halten, so muss man zum Generatorbetrieb greifen und den Brennstoff gasförmig dem Verbrennungsraum zuführen. Luft und Gas werden dann in gleicher Weise, aber getrennt von einander, komprimiert und erst vor der Verbrennung zusammengeführt. Die Temperaturen, zwischen denen der Prozess durchgeführt wird, sind bestimmt durch die tiefste Temperatur T2, die nicht niedriger als die der äusseren Luft sein kann und durch die Forderung der Theorie, dass T3 = T4 sein muss. T4 ist die Endtemperatur der Expansion, die also in der Turbine herrscht und zu 670° abs. = 397° C. gewählt werden kann; bei höherer Temperatur sinkt die Festigkeit des Stahls zu sehr. T2 wird zu 300° abs. = 27° C. angenommen, und da \frac{T_1}{T_4}=\frac{T_3}{T_2} ist (es handelt sich in beiden Fällen um adiabatische Zustandsänderung), so ergibt sich T_1=\frac{T_3\,T_4}{T_2}=\frac{670\,\cdot\,670}{300}=1500^{\circ}\mbox{ abs. }=1227^{\circ}\mbox{ C.} Diese Temperatur kann von der feuerfesten Auskleidung des Verbrennungsraumes und der kurzen Rohrleitung gut ausgehalten werden; die Düsen der Turbine werden vielleicht zweckmässig durch siedendes Oel gekühlt, da Wasser zuviel Wärme ableiten würde. Die Pressungen p1 = p3 und p2 = p4 ergeben sich nach dem adiabatischen Expansionsgesetz und zwar ist \frac{p_3}{p_2}=\frac{p_1}{p_4}=\left(\frac{T_1}{T_4}\right)^{\frac{k}{k-1}}=\frac{1500}{670}^{\frac{1,4}{0,4}}=16,56; da die Expansion in der Düse aber nicht rein adiabatisch, sondern unter Wärmezufuhr infolge der Reibungsverluste stattfindet, wird das Expansionsverhältnis noch etwas grösser. Die untere Pressung kann zu 1,1 resp. 0,15 Atm. abs. angenommen werden, sodass die obere sich zu 17,5 resp. 2,5 Atm. abs. ergeben würde. Der hohe Druck von 17–18 Atm. macht praktisch keine Schwierigkeiten wegen der zylindrischen Gestalt aller ihn aufnehmenden Teile und des Fehlens von Stopfbüchsen und Ventilen. Immerhin wird sich für sehr grosse Ausführungen das Arbeiten mit Niederdruck empfehlen, schon wegen der besseren Wärmeausnutzung; die Anlage wird dann allerdings nicht ganz so einfach, weil ein zweiter Ventilator und ein Kühler hinzukommt. – Die Ausströmgeschwindigkeit der Gase aus der Düse beträgt sowohl bei Hochdruck wie Niederdruck unter Annahme von adiabatischer Expansion und vollständiger Umsetzung des Drucks in Geschwindigkeit mit Hilfe konisch erweiterter Düsen 1295 m/sek.; in Wirklichkeit wird sie der Verluste wegen geringer ausfallen und unterscheidet sich dann nicht mehr wesentlich von der Ausströmgeschwindigkeit des Heissdampfes von der jetzt üblichen Spannung. Zur Beurteilung des Kreisprozesses ist die Kenntnis seines Wirkungsgrades von Bedeutung, also das Verhältnis \frac{\mbox{in mechanische Arb. verwandelte Wärme}}{\mbox{in den Kreisprozess eingeführte Wärme}}, Die geleistete mechanische Arbeit ist gleich Expansions- minus Kompressionsarbeit und entspricht der Wärmemenge (T1 – T4) – (T3 – T2), die zugeführte Wärme ist = T1 – T3 oder =T1 – T4, da T3 = T4. Demnach ist der Wirkungsgrad des Kreisprozesses \eta_k0\frac{T_1-T_4-T_3+T_2}{T_1-T_4}=\frac{1500-670-670+300}{1500-670}=55,4\mbox{ v.H.} Es treten nun ausser den Arbeitsverlusten in Turbine und Ventilator noch Wärmeverluste durch Leitung und Strahlung auf; ferner entsteht ein Verlust dadurch, dass der Kreisprozess nicht umkehrbar ist, wie bisher der Einfachheit halber angenommen. Infolge der Verbrennung findet nämlich eine geringe Volumenkontraktion statt, sodass die Expansionsarbeit kleiner ausfällt, als sie sich im Diagramm darstellt; andererseits entsteht bei Verwendung von flüssigen und festen Brennstoffen dadurch ein Gewinn, dass für sie nur sehr geringe Kompressionsarbeit zu leisten ist. Man kann alle diese Einflüsse durch einen Wirkungsgrad der Verbrennung ηf zusammenfassen, der auf etwa 0,9 geschätzt werden kann. Der Bestimmung des Gesamtwirkungsgrades η muss man noch den Wirkungsgrad ηm von Turbine und Ventilator einführen, der für beide gleich gross angenommen sei. Es handelt sich hier um die Berücksichtigung aller Verluste durch Gasreibung, Wirbelung, Stoss, Luftreibung des Turbinenrades und Lagerreibung. Aus ηk entsteht dann das Verhältnis \frac{\mbox{in Nutzarbeit verwandelte Wärme}}{\mbox{in den Kreisprozess eingeführte Wärme}} und dieses ist =\frac{\eta_m\,\cdot\,(T_1-T_3)-\frac{1}{\eta_m}\,(T_4-T_2)}{T_1-T_3} =\eta_m-\frac{1}{\eta_m}\,\cdot\,\frac{T_4-T_2}{T_1-T_3}=\eta_m-\frac{1}{\eta_m}\,\cdot\,(1-\eta_k); der Gesamtwirkungsgrad ist dann =\eta=\eta_f\,\cdot\,\left[\eta_m-\frac{1}{\eta_m}\,\cdot\,(1-\eta_k)\right] η m η . v. H. Wärmeverbrauch für PSund Stunde in Cal. 0,90 36,5   1750 0,85 29,2   2180 0,80 22,0   2890 0,75 14,0   4550 0,70     5,75 11100   0,668 0 ∞ Die Tabelle zeigt das starke Abnehmen des Wärmeverbrauchs mit zunehmendem Wirkungsgrad der Turbine, das bei dem Eifer, mit dem an ihrer Vervollkommnung gearbeitet wird, zu grossen Hoffnungen berechtigt. Vorläufig allerdings hat das beschriebene Verfahren nur geringe Möglichkeit der praktischen Verwertung, denn es ist bis jetzt kaum gelungen, den Wirkungsgrad der Dampfturbinen auf 70 v. H. zu steigern, also die Grenze zu erreichen, bei der die Gasturbine auch nur leer laufen könnte. Es ist aber mit Sicherheit zu erwarten, dass in nicht zu ferner Zeit ein Wirkungsgrad von 75 v. H. erreicht werden kann und dann würden sich der Gasturbine, trotz der noch massigen Wärmeausnutzung von 14 v. H. wegen ihrer sonstigen Vorzüge schon zwei grosse Gebiete eröffnen. Denn die Gasturbine besitzt ja alle die bekannten Vorzüge der Dampfturbine, ausserdem aber noch den weiteren Vorteil des Wegfalls der schweren Kessel, denn der Verbrennungsraum der Gasturbine ist wegen der Kompression der Gase wesentlich kleiner als die Feuerung des Dampfkessels, verbraucht also wenig Platz und ist sehr leicht. Dies sind besonders für den Schiffsbetrieb sehr schwerwiegende Vorteile, die auch dann noch sehr bedeutend sind, wenn mit Generatorgas gearbeitet werden müsste. Die Gasturbine würde sich also hier sehr schnell Verbreitung schaffen können, selbst wenn ihr Brennstoffverbrauch nicht niedriger als der der Dampfmaschine ist. Aber selbst Motoren mit besserer Wärmeausnutzung vermag die Gasturbine infolge ihrer besonderen Vorzüge zu verdrängen, und zwar ist dies im Automobilbetrieb der Fall. Hier würden nämlich trotz der geringeren Wärmeausnutzung die Betriebskosten nicht höher sein, da man an Stelle des Benzins Petroleum verwenden kann, das nur ungefähr die Hälfte kostet, aber wegen der Schwierigkeit des Vergasens und des leichten Verschmutzens der Zylinder sich nicht für den Automobilbetrieb eignet. Allen Automobilmotoren (ausser dem nur selten verwendbaren Elektromotor) gegenüber hat nun die Gasturbine die hier sehr wesentlichen Vorzüge des völlig erschütterungsfreien und geräuschlosen Ganges, der Einfachheit und Zuverlässigkeit. Denn der Ausgleich der hin- und hergehenden Massen der Kolbenmotoren zwingt zur Vierzylinder-Bauart, woraus sich grosse Vielteiligkeit ergibt, die Rücksicht auf geringes Gewicht nötigt zu äusserster Materialersparnis, die zu starkem Verschluss und häufigem Bruch führt; auch Vergasung und Zündung machen oft Schwierigkeiten. Alle diese Nachteile vermeidet die Gasturbine, die wohl die denkbar einfachste Wärmekraftmaschine ist und keinerlei empfindliche, besondere Sorgfalt erfordernde Teile, wie Ventile, Zünder, Vergaser, besitzt. In dem Maasse, wie der Wirkungsgrad der Turbine steigt, erweitert sich aber nicht nur ihr Anwendungsgebiet auf das jetzt von Dampfmaschine und Gasmotor beherrschte Feld, sondern es wird auch vorteilhaft den Wirkungsgrad des Kreisprozesses zu verbessern durch Ersatz der Linien gleichen Drucks durch Polytropen (pvn = konst.) mit einem Exponenten n zwischen 0 und 1. Bei geringem Wirkungsgrad der Turbinen würde das nicht zweckmässig sein, weil es noch mehr die positive und negative innere Arbeit vergrössert, deren Differenz die äussere Arbeit ist. Denn n > 0 bedeutet für die Wärmezufuhr, dass schon im Verbrennungsraum Expansion stattfindet, und die Gase mit grosser Geschwindigkeit zur Düse strömen, in der dann eine weitere, die adiabatische Expansion stattfindet. Die Umsetzung der Geschwindigkeit in Druck beim ersten Ventilator hat unter Kühlung zu erfolgen, man kann daher auch mit der Expansion, also der Temperatur T4 tiefer gehen. In dem Fall wird man zur Verminderung der Ausströmgeschwindigkeit nur bis zu einer Temperatur von etwa 670 ° abs. in der Düse gehen und die weitere Expansion in die Turbine selbst verlegen, also eine Reaktions- oder mehrstufige Druckturbine verwenden. Durch diese Vervollkommnung des Kreisprozesses steigt natürlich auch der Gesamtwirkungsgrad, sodass sich mit Hilfe des besprochenen Verfahrens die Möglichkeit zur Herstellung einer Wärmekraftmaschine eröffnet, die, für alle Brennstoffe geeignet, gute Wärmeausnutzung mit grosser Einfachheit und Billigkeit vereinigt.