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Vorrichtung zum Erhöhen des Druckes von Verbrennuugsgasen durch Erniedrigung ihrer Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, um Verbrennungsgase von niedrigem Druck jedoch hoher Temperatur und Geschwindigkeit durch Mischung mit Flüssigkeiten oder anderen Gasen auf höheren Druck und niedrigere Temperatur und Geschwindigkeit zwecks Verwendung in Gasturbinen zu bringen.
Um die Verbrennungsgase abzukühlen und sie so für die Ausnutzung in Gasturbinen verwendungsfähig zu machen, ist es bekannt, sie durch Einspritzen eines gasförmigen oder flüssigen Kühlmittels zu kühlen. Es wurde jedoch auf diese Weise nur eine Abkühlung der Verbrennungsgase erreicht, ohne dass es gelang, gleichzeitig den Druck der Gase heraufzusetzen, obwohl das Kühlmittel an und für sieh durch die Erwärmung eine beträchtliche Volumenvergrösserung erfuhr.
Für die Übertragung eines Teiles der Wärme der Verbrennungsgase auf das Kühlmittel ist an und für sich eine gewisse Zeit notwendig, der je nach der Geschwindigkeit des Gasstromes ein gewisser Weg entspricht. Bei den bekannten Vorrichtungen ergab sich auf Grund dieses für die Übertragung der Wärme auf das Kühlmittel notwendigen Reaktionsweges ein derart grosses Volumen, dass die durch die Erwärmung des Kühlmittels bedingte Volumensteigerung keine nennenswerte Drueksteigerung des Gemisches zur Folge hatte.
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Mittel vorgesehen, um unter Aufrechterhaltung des unbedingt notwendigen, verhältnismässig langen Reaktionsweges das Volumen derart zu vermindern, dass sieh eine Drueksteigerung des Gemisches auf Grund der Erwärmung des Kühlmittels ergibt.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Umwandlungsscheibe frei drehbar angeordnet wird, auf deren eine, vorzugsweise angerauhte Fläche das mindestens schon teilweise verbrannte Brennstoff-Luftgemisch durch eine oder mehrere Düsen in im wesentlichen tangentialer Richtung aufgeblasen wird und dass das gasförmige oder flüssige Kühlmittel dem Gasstrom kurz vor oder kurz nach seinem Auftreffen auf die Umwandlungsseheibe zugesetzt wird.
Auf diese Weise wird sich der Gasstrahl, nachdem er die Umwandlungsseheibe verlassen hat, spiralig in axialer Richtung nach den Austrittsöffnungen des Umwandlungsgehäuses zu weiterbewegen,
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wandlungsscheibe angeordnet ist, herrscht im wesentlichen der sieh durch die Umwandlung ergebende Druck, der nur auf Grund der Fliehkraftwirkung von der Drehachse zu nach aussen etwas zunimmt.
Dieser Druckunterschied hängt von dem spezifischen Gewicht des Gasgemisches ab und ist deshalb im allgemeinen nur gering. Die Drehungsgesehwindigkeit der Umwandlungsseheibe kann noch dadurch erhöht werden, dass sie von aussen her, beispielsweise durch einen Motor od. dgl. angetrieben wird.
Ein weiterer Mangel der bekannten Vorrichtungen besteht darin, dass bei der Mischung des Gasstromes mit dem Kühlmittel in beträchtlichem Masse zwischen den einzelnen Teilchen Stösse auftreten, die die Strömungsgeschwindigkeit zwar vermindern ; sie wird jedoch nicht in Druck, sondern in Wärme umgesetzt, die wiederum eine Erhöhung der Kühlmittelmenge und eine Vergrösserung des notwendigen Reaktionsweges zur Folge hat.
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Erfindunggemäss wird zur Behebung dieses Mangels vorgeschlagen, das Kühlmittel von dem Innern der Umwandlungsscheibe aus in den Gasstrom zu leiten, indem ihre Welle hohl ausgebildet und der mit dem Kühlmittelzufluss in Verbindung stehende Hohlraum durch im wesentlichen radial verlaufende Kanäle mit einer Anzahl von im gleichen Abstand von der Drehachse angeordnete Düsenöffnungen verbunden ist.
Auf diese Weise wird das KÜhlmittel mit mehr oder minder grossem Druck durch die Düsen- öffnungen in den Gasstrahl gespritzt, die derart anzuordnen und auszubilden sind, dass die Richtung und Grösse des aus ihnen austretenden Kühlmittelstromes im wesentlichen mit denen des Gasstromes übereinstimmen. Durch die Vorwärmung, der bei dieser Anordnung eine als Kühlmittel benutzte Flüssigkeit unterworfen wird, werden die Zeit und damit der Weg beträchtlich herabgesetzt, die not-
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fung gebracht und so eine Volumen-und Drucksteigerung erreicht wird.
Bei der Verwendung einer Flüssigkeit (Wasser) als Kühlmittel ist eine besonders starke Druckzunahme zu erwarten. Diesem Vorteil steht als Nachteil gegenüber, dass die Verdampfungswärme einer Flüssigkeit verhältnismässig gross ist. Aus diesem Grunde ergibt sich eine bessere Wärmeausnützung bei der Verwendung eines Gases, insbesondere bei der Verwendung von Luft, als Kühlmittel.
Die Zeichnung zeigt Ausführnngsbeispiele der Erfindung in vereinfachter Darstellung, u. zw. zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform, bei der eine Flüssigkeit (Wasser) als Kühlmittel benutzt wird, Fig. 2 eine Ansicht auf die Vorrichtung nach Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform, bei der Luft als Kühlmittel benutzt wird, Fig. 4 eine Teilansieht der Aus- führungsform nach Fig. 3 in Richtung der Achse, Fig. 5 eine Ansieht von oben eines Steuerventiles für die
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besondere das Steuerventil genauer dargestellt ist.
Entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 wird der auf irgendeine Weise zerstäubte Brennstoff durch die Pumpvorrichtung 1 zusammen mit einem Teil der Verbrennungsluft unter Druck ge-
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Mischkammer 3 zuströmt. Der Gemischstrom reisst hiebei auf bekannte Weise den Rest der Verbrennungsluft mit sieh.
In der Mischkammer entzündet sich der Brennstoff entweder durch die Eigenwärme des Gemisches oder mit Hilfe einer Zündvorrichtung. Die heissen Verbrennungsgase strömen nunmehr unter Umsetzung eines Teiles ihres Druckes in Geschwindigkeit durch die Leitung 4 und die Düse 11 auf die Oberfläche der Umwandlungsscheibe 5. Der Einfachheit halber ist in den Fig. 1 und 2 nur eine derartige Düsenvorrichtung dargestellt. Im allgemeinen jedoch wird es sich empfehlen, für eine Umwandlungsscheibe mehrere Düsenvorrichtungen vorzusehen.
Die Umwandlungsscheibe ist in dem Bereiche, wo der Verbrennungsstrahl auf sie auftrifft, mit einer Karborundum-Ringseheibe 6 bewehrt.
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düsen 11 angeordnet sind, sind in der Umwandlungsseheibe auf ihrer nach den Düsen zugekehrten Seite mehrere Düsenöffnungen 12 angeordnet, die durch Radialbohrungen. M mit der Axialbohrung 10 der Welle 8 der Umwandlungsscheibe in Verbindung stehen. Der Bohrung 10 und damit den Radialkanälen 13 wird auf irgendeine bekannte Weise durch die Leitung. M Kühlflüssigkeit zugeführt.
Auf dem Aussenumfang der Umwandlungsseheibe und der äusseren Ringfläche ihrer den Düsen abgekehrten Seite sind Schaufeln 15 vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel ähnlich den Schaufeln eines Turbokompressors angeordnet sind. Da die Schaufeln bei dem Erfindungsgegenstand jedoch nicht die Aufgabe haben, das Gas zu verdichten, ist es auch möglich, sie auf irgendeine andere Weise auszubilden ; beispielsweise können die Schaufeln rein radial angeordnet sein.
Das mit Hilfe der Umwandlungsseheibe verdichtete Gemisch wird durch die Schaufeln 1. von der Scheibe ? weiter mitgenommen. Infolge der Fliehkraftwirkung scheiden sieh die Bestandteile des Gasgemisches voneinander, so dass der schwerere Stoff sich am Aussenumfang des Gehäuses 9, der leichtere mehr nach der Mitte zu sammelt.
Die beiden so voneinander geschiedenen Bestandteile des Gemisches werden über die Austritts- öffnungen 16 und 17 zwei verschiedenen Turbinen zugeleitet. Die Austrittsöffnungen 16 liegen etwa am Aussenumfang der Umwandlungsscheibe 5, während der Radius, auf dem die Austrittsöffnungen 17 angeordnet sind, etwa gleich dem kleinsten Radius der Schaufeln Mist. Es empfiehlt sich, die Austritts- öffnungen 16 etwas von dem äusseren Umfang des Innenraumes des Gehäuses 9 abzurücken, um zu vermeiden, dass Brennstoffrückstände oder Wasserstaub durch die Austrittsöffnungen 16 treten und das Schaufelwerk der einen Turbine beschädigen können.
Demgemäss sind am äusseren Umfang des Innenraumes des Gehäuses 9 Filter od. dgl. vorzusehen, wo sich die ausgeschleuderten festen Teile des Gasgemisches fangen können. Das Gehäuse 9 ist zweck-
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mässigerweise mit einem Mantel 18 derart zu versehen, dass Kühlräume 19 entstehen, durch die irgendeines der bekannten Kühlmittel, beispielsweise Wasser oder Luft, strömen kann.
Die Umwandlungsscheibe 5 wird durch den auf sie auftreffenden Gasstrahl der Diise 11 in schnelle Umdrehung versetzt. Die durch die Leitung 14 und die Bohrung 10 zuströmende Kühlflüssigkeit wird infolge der Fliehkraft durch die Kanäle 1. 3 nach aussen geschleudert und unter Druck gesetzt. Die Kühlflüssigkeit wird dadurch in den Gasstrom der Düsen 11 gespritzt, wobei die Geschwindigkeit der beiden Ströme hinsichtlich Grösse und Richtung im wesentlichen gleich ist. Das Gemisch wird in spiraligen Wegen nach aussen geschleudert und hiebei infolge der Volumenvergrösserung des Kühlmittels auf die beschriebene Weise unter Druck gesetzt.
Bei der Verwendung eines Gases als Kühlmittel ist es infolge seines grossen Volumens schwierig, das Kühlmittel durch das hohle Innere der Umwandlungsscheibe in den Verbrennungsstrahl zu leiten. Bei gasförmigen Kühlmitteln wird deshalb die in den Fig. 3 bis 7 dargestellte Ausführungsform vorgezogen. Hier ist wiederum die mit Schaufeln ! a versehene Umwandlungsseheibe 5 in einem Gehäuse 9 frei drehbar angeordnet. Die Schaufeln 15 haben hier den Zweck, das Gasgemisch einerseits zu entwirbeln und anderseits eine möglichst gleichbleibende Drehung der Umwandlungsseheibe aufrecht zu erhalten. Die Kühlung erfolgt hier mittels Luft unter Verwendung einer Vor-und einer Hauptbrennkammer auf die beschriebene Weise. Die mit 20 bezeichnete Vorkammer ist durch die Leitung 21 mit der Hauptbrennkammer 22 verbunden.
In dieser Leitung ist ein Ventil 23 angeordnet, das sieh nach der Hauptkammer zu öffnet. Das Innere der Leitung 21 ist durch die Kanäle 24 mit der Aussenluft verbunden. Die Kanäle 24 werden durch das Schieberventil25 gesteuert, das mittels der beiden Rippen 26 fest mit dem Ventil 23 verbunden ist. Die Hauptbrennkammern 22 stehen unmittelbar mit den Düsen 11 in Verbindung, durch die das Gasgemisch auf die Umwandlungsseheibe aufgeblasen wird. Der Belag 6 aus feuerfestem Werkstoff der Umwandlungsscheibe 5 ist im Ausführungsbeispiel mit flachen Radialnuten 7 versehen.
Kurz nach einer Verpuffung wird der Brennstoff mit Hilfe der Zerstäuberdüse 27 in fein verteilten Zustand in die Vorkammer 20 eingespritzt. Nachdem der Brennstoff durch die Wärme der Verbrennungsrückstände der vorhergegangenen Verpuffung vergast worden ist, wird ein Teil der notwendigen Verbrennungsluft durch die Leitung 28 tangential in die Vorkammer eingeblasen. Das Gemisch wird entweder durch seine Eigenwärme oder mit Hilfe einer Zündvorrichtung 49 zur Entzündung gebracht. Durch die Drucksteigerung infolge der Verbrennung eines Teiles des Brennstoffes wird das Ventil 23 mit dem Ventil 25 geöffnet. Das Gasgemisch strömt in die Hauptbrennkammer über, wobei durch die offengelegten Schlitze 24 der Rest der Verbrennungsluft und die Kühlluft mitgerissen werden.
In der oberen Hälfte der Fig. 3 ist die Ventilvorrichtung 23 bis 25 geschlossen dargestellt, während in der unteren Hälfte der Abbildung diese Ventilvorrichtung in geöffnetem Zustande gezeigt ist. Mit 29 ist der vergaste, noch nicht verbrannte Teil des Gemisches bezeichnet, während der bereits verbrannte Teil des Ladungsgemisches das Bezugszeichen 30 trägt. Die Ventilvorriehtung 2. 3 bis 25 wird geschlossen, sobald der Druck in der Hauptbrennkammer den Druck in der Vorbrennkammer übersteigt.
Durch die Umwandlungsseheibe 5 wird auf das in der Hauptbrennkammer 22 befindliche Gasgemisch eine Saugewirkung ausgeübt. Die Verpuffung in der Vorkammer 20 erfolgt, wenn der Unterdruck in der Hauptbrennkammer seinen Höchstwert erreicht hat.
Die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform entspricht im wesentlichen der Vorrichtung nach Fig. 3 bis 6. Die Unterschiede sind vor allem darin begründet, dass die Darstellung der Fig. 7 konstruktiv etwas weiter durchgebildet ist. Hinter der Umwandlungsscheibe 5 ist in der Fig. 7 noch die Turbine dargestellt, in der das Gasgemisch zur Arbeitsleistung ausgenutzt wird. Die Turbine besteht im Aus- führungsbeispiel aus einem an sieh bekannten zweikränzigen Curtisrad l mit einem Düsenkranz 32, zwei Schaufelkränzen 83 und einem Umleitungsschaufelkranz 34. Die Welle 35 des Turbinenrades ist auf irgendeine Weise drehbar gelagert. Die Leistung wird über das Ritzel 36 und das Zahnrad 37 zum Antrieb von irgendwelchen kraftverbrauehenden Maschinen benutzt.
Es empfiehlt sich, von der Welle. 35 aus auch die Reglervorrichtung und den Kompressor zu betreiben, der den Teil der Verbrennungsluft verdichtet, der in die Vorbrennkammer 20 eingeführt wird. Diese Teile bieten jedoch gegenüber dem Bekannten nichts wesentlich Neues, so dass von ihrer Darstellung Abstand genommen ist.
Die Umwandlungsscheibe ist in der Richtung ihrer Achse verschiebbar angeordnet, um das Spiel zwischen dem Scheibenbelag 6 und dem Gehäuse und damit die Drehzahl der Umwandlungscheibe verändern zu können.
In der Fig. 7 ist die Ausbildung der Ventilvorrichtung 2 : 3, 25 in geschlossenem Zustande genauer dargestellt. Der Kegel des Ventiles 28 liegt auf seinem Sitz 88 auf. Der Kegel des Ventiles 2 : J besteht im wesentlichen aus einem kreisförmigen Ring, der nach der Hauptbrennkammer zu mit einem ringförmigen Ansatz von U-förmigem Querschnitt versehen ist, so dass zwei Ringe 39 und 40 entstehen.
In dem mittleren Teil der Ventilvorrichtung 23, 25 befindet sich eine Bohrung 41, um die Kühlung zu verbessern.
Der Ring mit U-förmigem Querschnitt taucht in eine kreisförmige Nut 42 des Gehäuses ein, in der ein Ring 43 mit einem Kopf vorgesehen ist, der nach beiden Seiten sägezahnartig ausgebildet
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ist und so mit den angrenzenden Ringflächen der beiden Arme. 39 und 40 Labyrinthdiehtungen bildet.
In gleicher Weise ist eine Labyrinthdichtung 44 in der Dichtungsfläche des Ventiles 25 vorgesehen.
Die Ventilvorrichtung wird in der Ringnut 42 geführt. Die in der Leitung 21 strömenden Ver- brennungsgase haben eine derartig hohe Temperatur, dass die diesen Gasen unmittelbar ausgesetzten Teile nicht geschmiert werden können. Aus diesem Grunde ist zwischen der inneren Ringfläehe des Armes. 39 und der Fläche 45 ein beträchtliches Spiel vorgesehen, während zwischen der inneren Ringfläehe des Armes 40 und den Labyrinthzähnen des Ringes z nur ein geringes Spiel vorhanden ist. Die Grösse des Spieles zwischen der äusseren Ringfläche des Armes. 39 und den Labyrinthzähnen liegt zwischen der der beiden soeben genannten Spiele.
Eine Reibungsberührung ist nur zwischen der äusseren Ringfläehe des Armes 40 und dem Gehäuse vorhanden, so dass auch nur diese Fläche geschmiert zu werden braucht. Der innere Raum der Nut 42 steht ausserdem über Schlitze 46 mit der Aussenluft in Verbindung.
Sobald die Ventile 2. 3, 2. 5 von ihren Dichtungsflächen abgehoben werden, strömt das Gasgemisch aus der Vorkammer 20 in die Hauptkammer 22, indem es durch den ringförmigen Lappen 47 geführt wird. Hiebei wird reichlich Luft in die Hauptverbrennungskammer mitgerissen.
Gleich nach Beginn der Öffnungsbewegung werden die Schlitze 46 durch den Ringarm 40 geschlossen. Es erfolgt eine Verdichtung in der Ringnut 42, während Verbrennungsgas bzw. Luft durch die Labyrinthdiehtungen des Ringes 4.'3 in den Raum zwischen den Armen 40 und 39 strömt. Die beiden Strömungen sind einander entgegen gerichtet, so dass hiedurch die Dichtung verbessert wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung, um Verbrennungsgase von niedrigem Druck jedoch hoher Temperatur und Geschwindigkeit durch Mischung mit Flüssigkeiten oder anderen Gasen auf höheren Druck und niedrigere Temperatur und Geschwindigkeit zwecks Verwendung in Gasturbinen zu bringen, gekennzeichnet durch eine frei drehbar angeordnete Umwandlungsseheibe (5), auf deren eine vorzugsweise angerauhte Fläche (6) das mindestens schon teilweise verbrannte Brennstoff-Luftgemisch durch eine oder mehrere Düsen (11) in im wesentlichen tangentialer Richtung aufgeblasen wird, und dass das gasförmige oder flüssige Kühlmittel dem Gasstrom kurz vor oder kurz nach seinem Auftreffen auf die Umwandlungsscheibe zugesetzt wird.