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Verfahren zum Betriebe einer Brennkraftturbme.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf solche Brennkraftturbinen, welche durch Einzelexplosionen in einer sowohl nach der Einlassseite wie nach der Auslassseite absperrbaren Explosionskammer betrieben werden, indem die durch ein gesteuertes Düsenventil austretenden Explosionsgase in einer Expansionsdüse entspannt auf einem Turbinenrad zur Wirkung gebracht werden.
Die Erfindung besteht in der Festlegung einer Beziehung für die massgebenden Konstruktionsgrössen solcher Explosionsturbinen. Während für die Kolbengasmasehine und die Dampfturbine teils durch wissenschaftlich herzuleitende Formeln, teils durch die Erfahrungsdaten eine genaue Bestimmung der für den Bau einer solchen Maschine grundlegenden Raum-und Zeitgrössen möglich ist, war man bisher bei den Explosionsturbinen auf ein mehr oder weniger unsichere Tasten angewiesen. Die Erfindung stellt den Niederschlag der Ergebnisse. jahrelanger Versuche Hand in Hand mit wissenschaftlicher Forschung dar. der sich in einer klaren Konstruktionsregel verdichtet.
Diese Regel stellt die Beziehung zwischen dem Rauminhalt der Explosionskammer, dem engsten Düsenquerschnitt und einer für die Zahl der Arbeitsspiele in der Zeiteinheit massgebenden Zeitspanne, nämlich der Verdrängungszeit, her. Unter der Verdrängungszeit im Sinne dieser Darlegung ist die Zeit zu verstehen, welche zur Austreibung der Verbrennungsgase durch nachgeschobene Spül-oder Ladeluft nötig ist und bemessen wird durch die Zeit, während welcher das Düsenventil und das Spiilluft-oder Ladeluftventil gleichzeitig geöffnet sind.
Die Bestimmung dieser Zeit. welche massgebend ist für die Spielzahl der Turbine und damit für die Leistung bei gegebenem Kammerinhalt, ist deshalb so schwierig, weil sie von folgenden Konstruktions-
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verhältnis der Düse. 4. dem engsten Düsenquerschnitt, 5. der Formgebung der Kammer, ihrem Verhältnis von Länge zu Durchmesser und ihren Ansätzen auf der Einström-und Ausströmseite, 6. dem Grad der Durehwirbelung der Feuergase mit der nachfolgenden Verdrängungsluft, 7. dem Wärmeaustausch mit den Wandungen der Kammer, des Düsenventilraumes und der Düse, 8. der Temperatur der Feuergase und 9. der zugelassenen Restmenge der Feuergase, die einen Bestandteil der neuen Ladung bildet.
Bezüglich einiger Grössen haben sich zum Teil einfache Konstruktionsregeln ergeben, wie nämlich bei der unter 5. angeführten Formgebung der Kammer und der davon zum Teil abhängigen Grössen 6 und 7. Zum Teil will man sich ihre Wahl je nach der Verwendung der Baugrösse der Turbine offenhalten, wie es für die unter 8. angeführte Temperatur der Gase der Fall ist, zum Teil ergeben sie sich als abhängig von der Art des verwendeten Brennstoffes, wie es bei der zuzulassenden Restfeuergasmenge zutrifft.
Eine mathematische Erfassung der Beziehungen ist im allgemeinen nur für die unter 1. bis 3. genannten Grössen möglich. Bezüglich der Einwirkung der andern Grössen ist man auf den Weg der Versuche angewiesen. Solche Versuche hatten nun in erster Linie den Zweck, darzutun, ob sich einfache
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feuergase zu erzielen. Das Auftreten solcher Frühzündungen macht natürlich jeden geordneten Betrieb unmöglich. Die Möglichkeit des sicheren Baues von Turbinen ist also nur gegeben, wenn man die Verhältnisse so beherrscht, dass Frühzündungen ausgeschlossen sind.
Nun ist natürlich die Leistung einer Turbine bei gegebenem Kammerinhalt abhängig von der
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mftretenden Frühzündungen. Man hat sich lange bemüht, einen einfachen Zusammenhang zu finden zwischen der Spielzahl und den sonstigen wichtigen Konstruktionsgrössen der Turbine, jedoch ohne Erfolg.
Vlan hat dann aber eine einfache Beziehung gefunden zwischen zwei wichtigen Konstruktionsgrössen der Turbine und der Verdrängungszeit. Da aber die übrigen'Zeitspannen, welche mit der Verdrängungszeit zusammen ein Arbeitsspiel bilden, sich konstruktiv beherrschen bzw. berechnen lassen, war damit die gewünschte Gesamtbeziehung gefunden.
Um die Verhältnisse genauer darlegen zu können, sei auf die Darstellung in der Zeichnung verwiesen. Fig. 1 gibt schematisch den Zusammenhang der für den Arbeitsprozess wichtigen Teile einer Explosionsturbine wieder. Es bedeutet a die Verbrennungskammer, b das Einlassventil für Luft, c das
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typisches Zeitdruckdiagramm der Kammer. Im Punkte 1 erfolgt bei Abschluss aller Ventile die Zündung, der die schnelle Drucksteigerung folgt ; unmittelbar darauf im Punkte 2 wird das Düsenventil geöffnet.
Die heissen Gase strömen nun arbeitsleistend durch die Düse ab, hinter der der Auspuffdruck Po herrscht.
Nachdem sie auf einem nur wenig höheren als dem Auspuffdruek gesunken sind, setzt im Punkte 3 durch Öffnung des Luftventil die Verdrängung der Restfeuergase durch Frischluft ein. wobei der Druck p in der Kammer allmählich wieder ansteigt bis auf den Druck pi, der dem Ladedruck der Luft entspricht ; im Punkte 4 ist dieser Zeitpunkt erreicht. Es schliesst sich nun das Düsenventil und es setzt unter gleichem oder etwas höherem Druck die Brennstoffzufuhr ein, bis im Punkte 5 auch das Luftund Brennstoffventil geschlossen ist und nun die neue Zündung erfolgen kann. Die Zeitspanne J-4, während welcher das Düsenventil und Luftventil gleichzeitig offen ist, wird als die Verdrängungszeit bezeichnet.
Das in der Zeiteinheit ausströmende Gewicht der Ausströmgase steigt während der Ver- drängtmgszeit mit dem Verhältnis--an, bis es bei Erreichung des kritischen Druckverhältnisses, das po- bei einer zylindrischen Düse ohne Ausflusskontraktion--beträgt, sein Höchstmass erreicht hat, das auch durch weitere Steigerung des Druckverhältnisses nicht mehr überschritten werden kann. Je schneller daher innerhalb der Spülzeit dieses Druckverhältnis erreicht wird, desto schneller wächst die in der Zeiteinheit ausströmende Gasmenge an, in desto kürzerer Zeit ist also die ganze in der Kammer enthaltene Gasmenge verdrängt. Dieses Zahlenverhältnis gilt jedoch nur bei einer zylindrischen Düse.
Bei einer Erweitel1lngsdüse, wie sie allgemein bei Gasturbinen angewandt werden muss, ergibt sich das Druck-
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unter Voraussetzung eines Auspuffdruckes Po = 1'06) in Abhängigkeit von q = F : t verzeichnet ist. Man erkennt daraus, dass je stärker das Erweiterungsverhältnis der Düse ist, desto kleiner das Druckverhältnis und desto kleiner der nötige Verdrängungsdruck ist, desto schneller wird also der Gasinhalt der Kammer entleert sein.
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Es ist im wesentlichen bestimmend für die Beaufschlagungsgeschwindiglreit der Schaufeln und dadurch auch für die Umlaufzahl, die Bemessung des Turbinenrades und den Wirkungsgrad der Kraft-
F abgabe der Gase an das Rad. Anderseits ist aber das gewählte Verhältnis q = 1 wiederum bestimmend für den Spüldruek, insofern, als er den aus der obigen Formel, bzw. der verzeichneten Kurve sich ergeben-
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kommene Verdrängung der Restgase und damit die Gefahr von Frühzündungen herbeiführen will.
Soweit lassen sich die Verhältnisse, also gewisse Umstände, die von Einfluss auf das Auftreten von Frühzündungen sind, rechnerisch erfassen ; damit ist aber die Beziehung zwischen der Spülzeit, dem Kammerinhalt und dem kleinsten Querschnitt der Düse noch nicht gegeben. Nur auf dem Wege der Versuche konnte man feststellen, welche Beziehungen man einzuschalten hatte, um bei gegebenem Kammerinhalt und gegebenem engsten Düsenquerschnitt eine möglichst geringe Spülzeit und damit eine möglichst
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