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Verbrennungsturbine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsturbine mit diskontinuierlicher Verbrennung des Treibmittels in Brennkammern, in denen in periodischen Abständen Ladung, Verbrennung und Expansion des Treibmittels aufeinanderfolgen. Verbrennungsturbinen dieser Gattung sind bereits bekannt. Wegen des diskontinuierlichen Verbrennungsvorganges werden diese Turbinen alsVerpuffungsturbinen bezeichnet. Bei diesen bekannten Turbinen ist es von Nachteil, dass zum Einbringen der Verbrennungsluft in die Brennkammer zufolge des dort herrschenden Überdruckes ein grosser Teil der Turbinenleistung zur Erzeugung des erforderlichen Überdruckes der Verbrennungsluft verbraucht wird. Dadurch ergibt sich ein unbefriedigender Gesamtwirkungsgrad für das Turbinenaggregat.
Diesem Nachteil der bekannten Turbinengattung wirksam zu begegnen, ist Gegenstand der Erfindung.
Das Erfindungsziel wird dadurch erreicht, dass in den Brennkammern selbsttätige Saugventile vorgesehen sind, und dass über einGetriebe mit z. B. durch Austausch von Zahnrädern veränderbarer Übersetzung eine Nockenwelle zur Steuerung der Zündung und gegebenenfalls zum Antrieb der Brennstoffeinspritzpumpe angetrieben ist. Auf Grund dieser Ausbildung wird nach erfolgter Expansion und Energieabgabe des Treibmittels an das Turbinenlaufrad mittels des nach Beendigung des Arbeitstaktesantriebslosweiterlaufenden, somit als Saugzuggebläse wirkenden Turbinenlaufrades in der Brennkammer ein Unterdruck erzeugt, der die für den nachfolgenden Verbrennungsvorgang erforderliche Treibmittel- bzw. Verbrennungsluftmenge in die Brennkammer fördert.
Hiebei wird im letzteren Fall zugleich die zur Bildung eines zündfähigen Gemisches nötige Treibstoffmenge eingespritzt. Der vom Laufrad erzeugte Unterdruck bewirkt die selbst- tätige Öffnung der Saugventile, die erst nach erfolgter Zündung des Brennkammerinhaltes durch den Verbrennungsdruck geschlossen werden. Zur Ladung der Brennkammern wird also von der im Laufrad und den übrigen rotierenden Massen gespeicherten Bewegungsenergie nur die zur Erzeugung eines Unterdruckes in der Brennkammer erforderliche geringe Energiemenge abgezweigt, so dass nur ein geringer Teil der Turbinengesamtleistung für die Ladung der Brennkammer aufgewendet wird.
Infolge des selbsttätigenÖffnens derSaugventile bei Erreichung eines bestimmten Unterdruckes in der Brennkammer stellt sich von selbst eine periodische Aufeinanderfolge der Arbeitstakte der Turbine ein.
Zur Angleichung der Zündfolge bzw. der Aufeinanderfolge der Kraftstoffeinspritzungen in die Brennkammer an den zuvor genannten Arbeitsrhythmus der Maschine ist erfindungsgemäss das Getriebe vorgesehen, das gegebenenfalls auch als stufenloses Getriebe ausgebildet sein kann. Dadurch wird es möglich, sämtliche Einflüsse auf den natürlichen Arbeitsrhythmus der Turbine, z. B. eine Änderung der Treibstoffzusammensetzung, auszugleichen.
Bei einer bevorzugten Ausführung nach der Erfindung besitzt die Turbine in an sich bekannter Weise zwei koaxial angeordnete, gegenläufig rotierende Laufräder, von denen das den Brennkammern zunächst liegende Laufrad als Leitrad für das nachgeschaltete Laufrad ausgebildet ist, wobei das Laufrad über das Getriebe kraftschlüssig mit der Nockenwelle und einem zuschaltbaren Anlasser, das Leitrad hingegen über einGetriebe kraftschlüssig mit der Hauptwelle und über eine Fliehkraftkupplung mit der Nockenwelle antriebsverbunden ist. Ausserdem sind beide Laufräder als Schwungräder ausgebildet. Diese ergeben zusammen mit den antriebsverbundenen rotierenden Teilen das für den Ansaugtakt erforderliche Schwungmoment.
Durch diese Ausbildung wird unter Ausnutzung der Vorteile der an sich bekannten Verwendung zweier gegenläufiger Laufräder eine Schonung des Anlassers beim Anfahren der Turbine gewährleistet, da der Anlasser nur das Laufrad, nicht aber das Leitrad samt seinen Übertragungsgliedern beschleunigen muss.
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Der Anlasser kann somit auch schwächer dimensioniert werden. Zugleich wird auch durch das hohe Schwungmoment der Laufräder bzw. der übrigen umlaufenden Massen die bei Verbrennungsturbinen mit diskontinuierlicher Verbrennung zwangsläufig auftretende periodische Drehzahlsthwankung wesentlich verringert.
Zur Leistungs- und Wirkungsgradverbesserung der Turbine können nach einem weiteren Erfindungsvorschlag auch Wärmetauscher zur Vorwärmung der Verbrennungsluft mittels der Brennkammer- und/oder Abgaswärme vorgesehen sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird schliesslich vorgeschlagen, dass die selbsttätigen Saugventile alsKugelventile ausgebildet sind, deren Ventilsitze vorzugsweise eine Lage einnehmen, in der die Ventilkugel unter ihrem Eigengewicht auf dem Ventilsitz aufliegt. Auf diese Weise wird ein rascher Ab- schluss des Saugventiles am Beginn des Verbrennungstaktes sichergestellt.
Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. Fig. l zeigt den schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispieles der Verbrennungsturbine nach der Erfindung im Axialschnitt und Fig. 2 einen Schnitt gemäss der Linie II-JI in Fig. l.
Das Gehäuse 1 der Turbine umschliesst zwei gegenüberliegende Brennkammern 2. Die Gehäuseinnenwand l* ist trichterförmig eingezogen und läuft in eine innere Stirnwand 3 aus. Dieser im Abstand gegen- überliegend befindet sich die äussereStirnwand 4 des Gehäuses 1. Eine zentrale Bohrung der äusseren Stirnwand 4 bildet das eine Wellenlager 5 für die zentrisch angeordnete Laufradwelle 6, deren anderes Ende in
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Wellenlagerbine, das in dem zwischen den Stirnwänden 3 und 4 gelegenen Radraum 9 nahe der äusseren Stirnwand 4 angeordnet ist. Am andern Ende der Laufradwelle 6 ist ein Zahnrad 10 aufgekeilt.
Die Laufradwelle 6 durchsetzt die als Hohlwelle ausgebildete Leitradwelle 11, an deren einem Ende innerhalb des Radraumes 9 ein zweites axial beaufschlagbares, als Leitrad 12 ausgebildetes Schaufelrad angeordnet ist. Das andere durch ein Wellenlager 13 hindurchgeführte Ende der Leitradwelle 11 trägt ein Zahnrad 14.
Die Abtriebswelle 15 der Turbine, von der in der Zeichnung nur der antriebsseitige Teil mit dem Wellenlager 16 dargestellt ist, trägt ein Zahnrad 17 grossen Durchmessers, das mit dem Zahnrad 14 der Leitradwelle kämmt. Neben dem Zahnrad 17 ist auf der Abtriebswelle 15 ein weiteres Zahnrad 18 mit kleinerem Durchmesser angeordnet. Die Verbindung des Zahnrades 18 mit der Welle 15 kann gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Fliehkraftkupplung, wie an anderer Stelle noch näher erläutert, erfolgen.
Die Zahnräder 10 und 18 stehen über ein Zwischenzahnrad 19 miteinander in Antriebsverbindung.
Das Zwischenzahnrad 19 sitzt auf einer Nockenwelle 20, deren anderes Ende mit einem Anlasser 21 gekuppelt ist und auf der sich eine Nocke 22 zur Betätigung einer Brennstoffeinspritzpumpe 23 sowie eine Zündnocke 24 für den Zündunterbrecher 25 befinden.
Jede Brennkammer 2 weist eintrittseitig ein Saugventil 26 auf, das als Kugelventil mit einer in einem Ventilkäfig 28 frei beweglichen Ventilkugel 27 versehen ist. An jedes Saugventil 26 schliesst eine Saugleitung 29 an, die an der Aussenwand des Gehäuses 1 entlanggeführt und in diesem Bereich als Wärmetauscher 30 ausgebildet ist. In die Aussenwände der Brennkammern 2 sind je eineKraftstoffeinspritzdüse31 und eine Zündkerze 32 eingesetzt (in der Zeichnung symbolisch durch Pfeile angedeutet). Die Brennkammern 2 stehen mit dem Radraum 9 über eine Anzahl gleichmässig über den Umfang verteilter Leitkanäle 33 in Verbindung. Den Leitkanälen 33 gegenüberliegend münden die beiden Auspuffleitungen 34 aus dem Radraum 9 aus. Die Auspuffleitungen 34 sind an der Aussenwand der Wärmetauscher 30 entlang geführt.
Für die beispielsweise Ausführungsform der Verbrennungsturbine nach der Erfindung ergibt sich folgende Funktionsweise : Die Turbine wird durch Einschalten des Anlassers 21 in Betrieb gesetzt. Über die Nockenwelle 23, das Zwischenzahnrad 19 und das Zahnrad 10 wird die Laufradwelle 6 mit dem Laufrad 8 in Drehung versetzt. In diesem Betriebszustand wirkt das Laufrad 8 als Gebläserad, das in den Brennkam- mern 2 einen Unterdruck erzeugt, demzufolge die beiden Saugventile 26 öffnen, so dass über die Ansaugleitungen 29 in den Wärmetauschern 30 vorgewärmte Verbrennungsluft in die beiden Brennkammern 2 eingesaugt wird. Während des Ansaugtaktes setzt die Nocke 22 der Nockenwelle 20 die Einspritzpumpe 23 in Tätigkeit, die eine vorbestimmteKraftstoffmenge über die Einspritzdüsen 31 in die Brennkammern 2 einspritzt.
Der fein zerstäubte Brennstoff bildet mit der in der Brennkammer 2 befindlichen vorgewärmten Verbrennungsluft ein zündfähigesGemisch, das nachfolgend durch die Zündkerzen 32 entzündet wird, sobald die Zündnocke 24 den Zündstromkreis durch Betätigung des Unterbrechers 25 unterbricht.
Mit einsetzender Verbrennung steigt der Brennkammerdruck schlagartig an und bewirkt eine sofortige
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Schliessung der beiden Saugventile 26. Die heissen Verbrennungsgase strömen aus den Brennkammern 2 über die Leitkanäle 33 zum Leitrad 12, dessen Laufschaufeln zugleich als Leitschaufeln für das nachgeschalteteLaufrad 8 dienen. Dadurch erhalten das Laufrad 8 und das Leitrad 12 entgegengesetzt gerichtete Bewegungsimpulse. Die Drehung des Leitrades 12 wird über die Leitradwelle 11 und das Zahnradpaar 14, 17 auf die Abtriebswelle 15 der Turbine übertragen.
Im Falle des Vorhandenseins einer Fliehkraftkupplung zwischen der Abtriebswelle 15 und dem darauf befindlichen Zahnrad 18 läuft letzteres zunächst leer mit und wird erst nach Erreichung einer vorbestimmten Betriebsdrehzahl durch die in der Zeichnung nicht dargestellte Fliehkraftkupplung mit der Welle 15 drehfest verbunden. Die Anordnung einer Fliehkraftkupplung bezweckt eine Schonung des Anlassers, so dass dieser schwächer dimensioniert werden kann. Gegebenenfalls kann der Anlasser 21 nach Erreichen der vorgesehenen Betriebsdrehzahl der Turbine auch als Generator, z. B. für die Lieferung des Zündstromes, verwendet werden.
Während des Arbeitstaktes erfolgt noch eine weitere Beschleunigung der nunmehr zwangsläufig miteinander gekuppelten, gegenläufig rotierenden Turbinenräder.
Der Arbeitstakt endet nach erfolgtem Druckausgleich in den Brennkammern 2. Die in den Turbinenrädern 8 und 12 bzw. in den damit antriebsverbundenen rotierenden Teilen gespeicherte Bewegungsenergie lässt nur ein allmähliches Absinken der Drehzahl der antriebslos laufenden Turbinenräder 8 und 12 zu, so dass diese neuerlich als Gebläseräder wirken und einen weiteren Ansaugtakt einleiten. Der periodische Wechsel von Ladung, Verbrennung und Expansion läuft in der Folge selbsttätig ab.
Nach Erreichen der vorbestimmten Betriebsdrehzahl der Turbine wird die anzutreibende Arbeitsmaschine mit der Abtriebswelle 15 der Turbine gekuppelt. Die Übersetzung des Zahnradgetriebes der Turbine ist so gewählt, dass sich ein Synchronismus zwischen der selbsttätig auf Grund der Druckschwankungen in den Brennkammern 2 einstellenden Taktfolge und der Zündfolge bzw. der Aufeinanderfolge der Kraftstoffeinspritzungen in die Brennkammer einstellt. Das Zwischengetriebe der Turbine kann zweckmässigerweise zum Ausgleich sämtlicher Einflüsse auf den natürlichen Arbeitsrhythmus der Turbine auch als stufenloses Regelgetriebe ausgebildet sein.
Ausser dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind im Rahmen der Erfindung noch zahlreiche hievon abweichende Ausführungsvarianten möglich. So kann die Verbrennungsturbine unter Fortfall der Einspritzeinrichtung analog demOtto-Motor auch mit äussererGemischbildung betrieben werden. Desgleichen wäre auch ein Betrieb mitErdgas oderKohlenstaub denkbar. Bei Turbinen höherer Leistung kann sich unter Umständen auch die Anordnung mehrerer Zündkerzen in jeder Brennkammer als zweckmässig erweisen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verbrennungsturbine mit diskontinuierlicher Verbrennung des Treibmittels in Brennkammern, in denen in periodischen Abständen Ladung, Verbrennung und Expansion des Treibmittels aufeinanderfolgen, dadurch gekennzeichnet, dass in den Brennkammern (2) selbsttätige Saugventile (26) vorgesehen sind, und dass über ein Getriebe (10, 19) mit z. B. durch Austausch von Zahnrädern veränderbarer Übersetzung eine Nockenwelle (20) zur Steuerung der Zündung und gegebenenfalls zum Antrieb der Brennstoffeinspritzpumpe (23) angetrieben ist.