Vorrichtung zur Erzeugung von Druckgasen zum Betrieb von Kraftmaschinen, insbesondere von Gasturbinen. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Druckgasen durch Ex plosion eines Brennstoffluftgemisches zum Betrieb von Kraftmaschinen, insbesondere von Gasturbinen. Als .
Brennstoffe können zum Beispiel Benzin, Gasolin oder andere Petrolderivate verwendet werden.
Hauptzweck der Erfindung ist, einen fort laufenden Verrat eines gasförmigen Treib mittels von wirksamem Druck und einer ge eigneten nicht schädlichen Temperatur für den Betrieb der Kraftmaschine zu schaffen, so dass keine Gefahr besteht, dass, wenn eine Gasturbine betrieben wird, die Schaufeln oder andere Bestandteile derselben verbren nen.
Gemäss der Erfindung zeichnet -sich die Vorrichtung aus durch eine Anzahl mit 3mitteln versehene Explosionskammern mit Zylinderventilen und eine gleiche Anzahl Verbrennungskammern mit Zylinderventilen, sowie durch Leitungen, welche je eine Ex- ploeianskammer mit einer Verbrennungskam- mer verbinden, und einen Antrieb,
welcher alle Zylinderventile mit gleicher Winkel- geschwindigkeit dreht, wobei die Zylinder ventile inihrer Wirkungsweise zueinanderver- setztsind, um einen Druckgasstrom von an nähernd gleichbleibendem Druck zu erhalten, und in die Verbrennungskammern zusätzliche Luft eintritt, um Draekgase von einer der Kraftmaschine nicht schädlichen Tempera tur zu erzeugen.
Die Vorrichtung ermöglicht es, alle ver fügbare Wärme, welche sich in dem Brenn stoff -befindet, zur Herstellung von Bewe- gungsenergie auszunutzen.
Die Zeichnung bezieht sieh auf ein Aus führungsbeispiel des ErfindungsgegenEtan- des. Es ist: Fig. I die Vorrichtung in Verbindung mit einer Gasturbine, Fig. II eine Draufsicht auf die Vorrich tung, Fig. HI ein Querschnitt nach der Linie 3.---3 in Fig. II, und Fig. IV eine Skizze, die jeweilige Ein stellung der Zylinderventile,
welche den Gas fluss in der Vorrichtung kontrollieren, zei gend.
Die in Fig. I gezeigte, einheitliche Ma schinenanlage besitzt eine horizontale Gas turbine 1,0 und die Vorrichtung 11 zur Er zeugung der Gase. Die Turbine 10 und die Vorrichtung 11 sind beide auf einer gemein samen Grundplatte 12 gelagert.
Die Turbine kann von beliebiger, bekann ter Konstruktion sein. Sie besitzt ein ko nisches Gehäuse 13 und erhält die Gase von der Vorrichtung 11, mit welcher sie durch ein Rohr 14 an ihrem schmalen Ende ver bunden ist. Nachdem die Gase die nicht ge zeigten Stator- und Rotorschaufeln der Tur bine passiert haben, werden sie in den Kopf 15 am grösseren Ende des Turbinengehäuses 13 ausgetrieben und von dort durch einen senkrechten Schornstein 16 abgeführt.
Der obere Teil des Gehäuses 17 der Vor- riehtung besitzt, wie in den Fig. I bis III dargestellt ist, eine Reihe von nebeneinander liegenden, senkrechten, zylindrischen Kam- mern. 18, 18a, 18b -und ,der untere Teil der Vorrichtung eine entsprechende Reihe von senkrechten, zylindrischen Kammern 19, 19a, 19b.
Zur besseren Unterscheidung sollen in der folgenden Beschreibung- die Kammern 18,18a, 18b mit "Explosionskammern"-und die. Kam mern 19,19a,19b mit "Verbrennungskammern" bezeichnetwerden. JedeVerbrennungskammer bildet mit der Explosionskammer, mit wel cher sie gleichachsig angeordnet ist, ein Paar.
Es sind drei Paare von Explosions- und Verbrennungskammern vorhanden. Es ist selbstverständlich, dass deren auch mehr oder weniger verwendet werden können; je nach- clena es die Praxis erfordert. Je ein Paar der Explosionskammern 18, 18a, 18b und Ver brennungskammern 19, 19a, 19b stehen durch eine U-förmige Leitung 20, 20a, 20b in Ver bindung.
Dabei ist :der Fluss der Verbren nungsgase von den Explosions- zu den Ver brennungskammern durch Zylinderventile 21, 21a, 21b und 22, 22a, 22b, welche in den Kammern rotieren, überwacht.. Es sei beson- ders darauf hingewiesen, dass die Verbren nungskammern 19, 19a, 19b bedeutend grö sser sind als die Explosionskammern 18, 18a, 18b, wobei das Volumverhältnis in dem ge zeigten Fall sich ungefähr wie 1 : 1,5 ver hält (Fix. III).
Die Explosionskammern 18, 18a, 18b be sitzen Einlassöffnungen 23, 23a, 28b nahe ihren obern Enden, welche in eine Sammel- kammer 24 münden. Diese Sammelkammer erweitert sich in eine kreisrunde Brennstoff- mischkammer 25, in welcher ein Ventilator ,26 (Fix. I und II) angeordnet ist. Der Ven tilator 26 ist auf der Welle 27 des Anlass- motors 28 montiert.
Der Motssr 28 sitzt auf einer Konsole 29, welche an der Grundplatte 12 angebracht ist. Der flüssige Brennstoff wird in die Vorrichtung 11 von einer ge- eigneten Brennstoffquelle (nicht gezeigt) durch ein Rohr 30 gebracht, welches zu einem Verbindungsstück 31 führt, welches wie derum mit der Welle 27, die durchbohrt ist, verbunden ist. Durch die axiale Bohrung 32 der Welle 27 wird der flüssige Brennstoff in einen Zerstäuber 33 innerhalb des Ventilator- gehäuses 25 geführt. Dieser Zerstäuber be sitzt eine Anzahl radialer Auslassdüsen 34.
Der durch die Düsen zerstreute Brennstoff wird vollständig zerstäubt unter der Einwir kung eines Luftstromes, der durch den Ven tilator 26 zugeführt wird. Die resultierende Mischung wird durch eine Leitung 24 den Explosionskammern 18, 18a, 18b zugeführt. Der Ventilator 26 wird durch eine Ketten- radverbindung 35 von der verlängerten Tur binenwelle 37 aus angetrieben, wie in den Fig. I und II gezeigt ist.
Die Zylinderventile 21, 21a, 21b der Ex plosionskammern 18, 18a, 18b weisen an ihren untern Enden Schneckenräder 40 auf, welche mit Schnecken 41 in Eingriff stehen. Diese Schnecken sitzen auf einer Welle 42, welche in Konsolen. 43 des Gehäuses 17 . ge lagert .ist. Die Zylinderventile 22, 22a,_ 22b der Verbrennungskammern 19, 19a, 19b be sitzen, ebenso wie die Ventile der Explosions kammern an ihren untern Enden Schnecken räder 44, welche mit Schnecken 45 einer der Länge der Maschine nach angeordneten Welle 16 montiert sind. Die Welle 46 ist auf Kon solen 47 gelagert.
Die zwei Wellen 42 und 46 werden gemeinsam,durchKettenradverbindun- gen 48 und 49 von tder Verlängerung 36 der Tur binenwelle 3 7 aus angetrieben. Damit werden die. Zylinderventile 21, 21a, 21b und 22, 22a, 22b mit derselben Winkelgeschwindigkeit und in derselben Richtung angetrieben, wie dies durch Pfeile in Fig. IV veranschaulicht ist.
Die Fig. III und IV zeigen, dass die Zy linderventile 21, 21a, 21b der Explosions kammern 18, 18a, 18b nahe ihren obern En den mit Öffnungen 50, 50a, 50b versehen sind, welche mit den Brennstoffeiniassöffnun- gen 23, 23a, 23b übereinander gebracht wer den können, und an ihren untern Enden be sitzen die Öffnungen 51, 51a, 51b, welche mit den Auslassöffnungen 52, 52a,
52h über einander gebracht werden können, welche in die U-förmigen Verbindungsleitungen 20, 20a, 20b münden. An den untern Enden besitzen die Zylinderventile 21, 21a, 21h verhältnis mässig kleine Öffnungen 53, 53a, 53b, welche mit den Öffnungen 54, 54a, 54b der Kammer wand in Übereinstimmung gebracht in ein Sammelrohr 55 münden, durch welches jeder Gasrückstand abgeführt wird, nachdem die zur Explosion gebrachten Chargen von den Kammern 18, 18a, 18b entfernt wurden. Das Sammelrohr führt,
wie in Fig. 1 gezeigt ist., in den Auspuffkopf 15 der Turbine.
Die Konstruktion der Zylinderventile 22, 22a, 22b der Verbrennungskammern 19, 19a, 19b der Vorrichtung ist ähnlich der Ventile 21, 21a, 21b. Diese Zylinderventil. sind, wie die Fig. III und IV zeigen, mit Öffnungen 56, 56a. 56b nahe ihren obern Enden ver sehen, welche mit entsprechenden Einlassöff- nungen 57, 57a, 57b übereinander gebracht werden.
Die letzteren Öffnungen führen zti den [-Stücken 20, 20a, 20' unterhalb dieser Öffnungen sind Öffnungen- 58, 58a, 58b vor gesehen, welche mit, den Öffnungen 59, 59a, 59b zusammenarbeiten, die zu dem Sammel- rohr 60 führen. Das Sammelrohr 60 führt zum Ventilatorgehäuse 25. Ein Teil der Luft, welche durch den Ventilator eingesaugt wird, kommt dadurch in die Kammern 19, 19a, 19b, um sich mit den Explosionsgasen, die von den Explosionskammern kommen, zu mi schen.
Eine Abteilungswand 61 im Venti- latorgehäuse (Fix. I) bestimmt den Teil der Luft, welcher durch das Rohr 60 in die Ver brennungskammern 19, 19a, 19b geführt wer den soll. Unter den Öffnungen 58, 58a. 58b besitzen die Zylinderventile 22, 22a, 22b wei tere Öffnungen 62, 62a, 62b, welche mit den Wandöffnungen 63, 63a, 63b in Übereinstim mung gebracht in die Rohrleitung 14 führen, welche die Verbrennungsgase schliesslich in die Turbine bringt.
Nahe am Boden der Zy linderventile 22, 22a, 22b sind schmale Öff nungen 64, 64a, 64b vorgesehen, welche mit Öffnungen 65, 65a, 65b der Kammerwand in Übereinstimmung gebracht zu einem Sammel- rohr 66 führen, wodurch Gasrückstände, nachdem die Gaschargen auf einanderfolgend in die Turbine gebracht wurden, zum Aus puff geführt werden: Um aufeinanderfolgend zu arbeiten, werden die Explosionen in ein zelnen Kammern zu verschiedenen Zeiten aus geführt.
Zu diesem Zweck sind die Zylinder ventile 21, 21a, 2,1b und 22, 22a, 22b um 120' mit Bezug auf Einlass des Brennstoffes also in Bezug auf ihre Wirkungsweise ver setzt.
Das Gehäuse 17 der Vorrichtung 11 ist, wie bei 67 gezeigt, doppelwandig ausgeführt zu Kühlzwecken. Wasser oder irgend ein an deres Kühlmedium wird durch die Rohrlei tung 68 eingeführt und durch die Rohr leitung 69 abgeleitet. Um diesen Kühlmittel umlauf zu bewerkstelligen, ist eine nicht ge zeigte Pumpe vorgesehen.
In den Kammern 18, 18a, 18b ist ein Zündsystem angeordnet, um die einzelnen Brennstoffchargen aufeinanderfolgend zur Explosion zu bringen. Dieses :System besitzt unter anderem einen nicht gezeigten Verteiler und Zündkerzen 70 (Fix. I bis IH). Jede der Explosionskammern besitzt eine Zündkerze.
Die Wirkungsweise der dargestellten Vor richtung ist ungefähr folgende: Es sei an genommen, dass die Turbine 10 mit der Kettenradverbindung 35 läuft und den Ven tilator 26 antreibt. Dadurch wird auch die Kettenradverbindung 48 und 49 angetrieben, womit die Schneckenwellen 42 und 46 zur Rotation gebracht werden und dadurch die Ventile 21, 21a, 21b und 22, 22a 22b gemein sam antreiben.
Dadurch werden Brennstoff mischungen durch die Öffnungen 23, 23a, 23b aufeinanderfolgend in die Explosions kammern gebracht, zur Explosion gebracht und durch die U-Stücke 20, 20a, 20b in gleicher Aufeinanderfolge, wie die Zündungen statt finden, in die Verbrennungskammern 19, 19a, 19b geleitet. In die letzteren Kammern wird Luft von atmosphärischem Druck oder höhe rem Druck durch die Einlasskanäle 59, 59a, 59b von dem Sammelrohr 60 zugeführt.
Nach Expansion des Gemisches und Verbrennung des noch nicht verbrannten Brennstoffes in den Kammern 19, 19a, 19b und Vermischung. des Gemisches mit der Frischluft wird die erhaltene Charge durch die Öffnungen 62, 62a, 62b und Kanäle 63, 63a, 63b und Leitung 14 in die Turbine geleitet, und zwar in der selben Aufeinanderfolge, wie die Explosionen und- die andern Operationen erfolgen. Dies geschieht bei einem bestimmten Druck und einer genügend tiefen Temperatur.
Die Zu fuhr der Druckgase zur Turbine findet un gefähr gleichmässig statt.
Wenn die in die Explosionskammern ein geführte Mischung 18, 18a, 18b reich genug ist, um Verbrennung zu gewährleisten, findet Explosion statt. Nachdem die Produkte dieser Explosion in die Verbrennungskammern 19, 19a, 19b gebracht werden, welche vorher mit Luft, vorzugsweise von atmosphärischem oder höherem Druck gefüllt sind, findet eine Ver brennung statt, welche jeden verfügbaren, nicht explodierten Brennstoffteil ausnutzt,
welcher sonst verloren ginge. Dadurch wird der ganze Brennstoff ausgenutzt.
Der Arbeitsgang der Vorrichtung 11 wird am besten im Zusammenhang mit Fig. IV erläutert. Diese Figur zeigt die verschiedenen Stellungen der verschiedenen Ventile 21, 21a und 21b und 22, 22a, 22b in einer bestimmten -Betriebslage. Die Einlassöffnung 50 des Zy- linderventils 2.1 öffnet den Einlasskanal 23 der Explosionskammer 18.
Das Brennstoff gemisch kommt von der Leitung 24 in die Explosionskammer. Die andern Öffnungen 52 und 54 der Kammer sind geschlossen. Gleich- zeitig wird eine zusätzliche Menge Luft von atmosphärischem oder höherem Druck in die Verbrennungskammer 19 von der Sammel- leitung 60 über den Kanal 59 und die Uff- nung 58 in dem Zylinderventil 22 gebracht.
Dadurch befindet sich die Luft schon früher in der Verbrennungskammer 19, um.später mit den Explosionsgasen des Brennstoff- gemisches, welches sich zum gegebenen Zeit punkt noch in der Explosionskammer 18 be findet, sich zu vermischen. Alle andern Ka näle der Verbrennungskammer 19 sind. zum gegebenen Zeitpunkt geschlossen, wie in Fig. IV gezeigt ist.
In dem nächsten Kam merpaar sind die Verhältnisse folgender massen: Eine Charge Brennstoff ist gerade explodiert in der Explosionskammer 18a und die resultierenden Gase strömen durch -die Öffnung 51a und den Kanal 52a in die U förmige Leitung 20a, während der Kanal 57a und .die Öffnung 63,a der Kammer 19a sich gerade zu öffnen beginnen durch Übereinan- derbringen der Öffnungen 56a und 62a in dem Ventil 22a einerseits,
um den Verbren nungsgaren den Eintritt von der Explosions kammer 18a in die Verbrennungskammer 19a und anderseits den Austritt von irgend welchen früher explodierten Gasen in die Leitung 14 zu ermöglichen, welche in die Turbine 10 gebracht werden. Im dritten Teil der Vorrichtung 11 beginnt sich der Kanal 52b der Kammerwand 18b durch das Ven- til zu schliessen.
Die früher explodierte Brennstoffcharge ist fast vollständig aus der Kammer entfernt und durch die U-förmige Leitung 20b in die Verbrennungskammer 19 gebracht, worauf der Kanal 57b durch das Ventil 22b geschlossen wird. Gleichzeitig schliesst das Ventil 22b den Auspuff 63b, wo bei die Expansionskammer von der Turbine getrennt wird.
Wenn eine reiche Mischung in die Vor richtung gebracht wird, so wird jede über- schüssige Brennstoffmenge, welche unver braucht nach der Explosion in einer Ex plosionskammer 18, 18a 18b bleibt, in eine Verbrennungskammer 19, 19a. 19b gebracht, wo eine weitere Verbrennung oder weniger kraftvolle Explosionen stattfinden, wenn die ser unverbrauchte Brennstoff in Kontakt mit der frischen Luft kommt, welche in diese Kammer durch das Verteilungsrohr 60 ge bracht ist.
Dadurch wird mehr Hitze ent wickelt und es ergibt sich eine grössere Wirk- samkeit durch die vollständigere Verbrennung des Brennstoffes, als es bis jetzt möglich war. Diese grössere Wirksamkeit wird offensicht lich proportional reguliert durch den Über schuss des nicht konsumierten Brennstoffes, wobei die Menge relativ klein sein mag im Verhältnis zum Volumen der atmosphärischen Luft und des Gases in den Verbrennungs kammern 19, 19a, 19b, so dass der Betrag der Temperatursteigerung während der zwei ten Explosion in diesen Verbrennungskam mern verhältnismässig gering ist.
Die in dem Brennstoff enthaltenen Wärme- einheiten erhöhen bei der Explosion des Brennstoffes die Temperatur und damit den Druck der Luft, Entspricht die Gesamtmenge der der Turbine zugeführten Druckgase dem dreifachen Betrag der aus den Explosions kammern 18, 18a, 18b kommenden Gase, das heisst wird die entsprechende zusätzliche Luftmenge in die Verbrennungskammer 19, 19a, 19b eingeführt, dann fallen der Druck und die Temperatur der in die Turbine ge langenden Gase auf 1/3 des Wertes der aus den Kammern 18,
18a, 18b kommenden Ex plosionsgase. Dadurch ist die gewünschte tiefere Temperatur erhalten und der Druck abfall ist ausgeglichen durch die propor tionale Volumsteigerung. In der Praxis muss in Betracht gezogen werden, .dass ein Gemisch mit zu viel Luft die Verbrennung verhindert. Die wirkungsvollsten Explosionen werden eher durch eine reiche, als durch eine arme Mischung erhalten.
Die Kammern 18, 18a, 18b bewirken wirkungsvolle Explosionen, da das beste Verhältnis zwischen Luft und Brennstoff hergestellt ist. In den Kammern 19, 19a 19b findet eine zweite, aber kleinere Explosion statt, die eine geringere Tempera tur- und Druckerhöhung bewirkt, so dass das obige beispielsweise gegebene Verhälnis nicht eingehalten wird.
Auf diese Weise gelangt .ein Druckgas in die Turbine, dessen Tem peratur- und Druckabfall durch die Volum- vergrösserung mehr als ausgeglichen wird.
Die grössere Wirksamkeit, welche durch die dargestellte Vorrichtung erreichbar, ist durch Hinzufügen von Luft von ungefähr atmosphärischem oder höherem Druck, die Verbrennungskammern 19, 19a, 19b, wird am besten durch ein praktisches Beispiel gekenn zeichnet. Wenn beispielsweise in die Ver brennungskammern das 11/2fache der Luft menge eingeführt wird, die in die Explosions kammern gelangt, dann enthält die resul tierende Druckgasmenge 21/2 mal soviel Luft, als einer entsprechenden Brennstoffmenge ge wöhnlich beigemischt wird.
Infolge der in den Verbrennungskammern stattfindenden restlichen Verbrennung werden die Druck gase bei niedriger Temperatur aber eine höhere Energie besitzen, als bei Entzünden einer entpreehend kleineren Brennstoffmenge. Die kleine Brennstoffmenge würde ausserdem bei solch einer grossen Luftmenge nicht mehr zündfähig sein. Dadurch, dass die Ventile in ihrer Wirkungsweise zueinander versetzt sind, hat der in die Turbine abgehende Gas strom annähernd gleichbleibenden Druck.
Es sei erwähnt, dass die Wasserkühlung der Explosions- und .der Verbrennungskam mern nur Überheizung verhindert, da die Ab sieht besteht, bei höchst praktischer Tempe ratur zu arbeiten, nicht jedoch die Ex plosionsgase besonders zu kühlen, denn dies würde einen Energieverlust mit sich bringen.
Das Volumverhältnis der Explosions- zu ,den Verbrennungskammern kann verändert werden, so dass jeder gewünschte Druck und jede gewünschte Temperatur der in die Tur bine abgehenden Gase erreicht werden kann.