CH233945A

CH233945A - Verfahren zur Erzeugung von Treibgasen mittels schwingender Gase und Gaskolben-Treibgaserzeuger zur Ausübung des Verfahrens.

Info

Publication number: CH233945A
Authority: CH
Inventors: Aktiengesellschaft Gebr Sulzer
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1942-12-29
Filing date: 1942-12-29
Publication date: 1944-08-31

Description

Verfahren zur Erzeugung von Treibgasen mittels schwingender Gase und Gaskolben- Treibgaserzeuger zur Ausübung des Verfahrens. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Treibgasen mittels schwin- gend@er Gase, das dadurch gekennzeichnet ist, ,dass in einem geschlossenen,

mit Einlass.- und Auslass'o#rga#nen versehenen Behälter mit einer .der Frequenzen der Eigenschwingungen seines Inhaltes periodisch Brennstoff verbrannt und:

- ,die dadurch angeregte Gassichwi bo-uug aus genützt wird, um durch .die Einlassorgane Luft anzusaugen und durch die Awslassorgane das erzeugte Treibgas auszustossen. Der zur Ausführung des Verfahrens vorgesehene Treibgasserzeuger kann einen länglichen Be hälter.

aufweisen, der an einem Ende min- destens ein: Saugventil und am andern. Ende mindestens ein Druckventil aufweist. Wenig stens ein Teil des verwendeten Brennstoffes kann in gasförmigem Zustand angesaugt werden. Die Luft und der Brennstoff können dem Treibgaserzeuger in vorverdichtetem Zustand zugeführt werden.

Der Behälter kann am ssaug!seitsgen Ende mit mindestens einer Einspritzdüse für flüssigen Brennstoff und mit mindestens einer Zündvorrichtung versehen ,sein. Die Eimass- und Auslassergane ,des Behälters können als aerodynamische Rückstromdrosseln ausgebildet sein.

Am Saug- und Druckende kann, eine Querschnitts- verringerungoder -erweiterung vorhanden sein, um,die Höhe,der Druckamplitude zu be- .einfluSsen. Der Behälter kann am gaub eiti- gen Ende verengt, am. @drucks"eitigen Ende,

da- gegenerweitert sein, um die Dmuckamplitude der Gasschwingung am :druckseitigen Ende herabzusetzen, diejenige am saugseitigen Ende dagegen zu erhöhen.

Die in den Behäl- ter eingeführten, Brennstoffe können ,durch die Temperaturerhöhung entzündet werden, welche die Gasschwingung im Gebiet der grössten Schwingungsamplituden. durch poli- tropische Verdichtung erzeugt.

Es kann flüssiger Brennstoff verwendet und dieser kontinuierlieh eingespritzt werden. Die Ver brennung kann durch Jetonante Selbstzün dung, erfolgen. In der Zone, in welcher -sich ,die Verbrennung vollzieht; kann ein G'rlüb- körper aus ho:

chhitze#bestä-ndigem Material als Zündhilfe eingebaut sein. Wenigsten,; zum Teil kann fester Brennstoff in staubförmiger Form verwendet werden.

Einige Ausführungsbeispiele des erfin- dungsgemässen Treibgaserzeugers sind auf der Zeichnung .schematisch dargestellt.

Fig. -1 zeigt einen Gaskolben-Treibgas- erzeuger mit gesteuertem Schieber.

Fig. 2 isst das Schema eines vereinfachten Ga,skal'.ben-Treibgaserzeugers ahne Schieber. Fig. 3 zeigt einen mit Vorverdichtung ar beitenden Gas#koliben-Treib#gaserzeuger.

Fig. 4 ist die schematische Darstellung eines Gaskolben-Treibgaserzeugers., bei wel chem aerodynamieche Rückstromdrosseln statt mechanischer Ventile sowie ein Treibgas sammler zur Anwendung kommen.

Bei der in Fig. 1 :dargestellten Ausfüh rung ist ein Behälter 1 auf der linken Seite mit einer Brennstoffeinspritzdüs:e 2 und einer elektrischen Zündkerze 3 versehen. Das linke Ende des, Behälter & 1 ist durch eine Flauech- scheibe 4 abgeschlossen, die mit einem Ventil 5 ausgerüstet isst. In der Mitte des.

Behälters 1 befindet sich ein Alaschlussschieber 6, der ,das Innere des Behälters 1 in die Räume 7 und 8 unterteilt. Die rechte Seite des Behäl ters 1 wird von einem mit einer Lavaldüse 9 versehenen Flansch 10 begrenzt.

Wird durch die Einspritzdüse 2 unter hohem Druck eine abgemessene Brennstoff menge, z. B. Benzin, in fein zerstäubtem Zustand' einbespritzt und durch die Zünd kerze 3 entflammt, so wird der anfänglich 1 ata betragende Druck im abgeschlossenen Raume 7 auf beispielsweise 2 a.ta ansteigen.

Wird jetzt :der Schieber 6 durch eine nicht gezeichnete Steuerung rasch geöffnet, so wird der im Raume 7 befindliche Gasinhalt mit b osseer Geschwindigkeit nach dem unter Atmosphärentruck stehenden Raum 8 expan dieren, worauf der %ssinh:alt der Räume 7 und 8 oo lange durch die La-val:düse 9 ent weicht, bis der Druck in .diesen Räumen auf .den Atmosphärendruck abgesunken ist.

Bei zweckentsprechender Gestaltung des Behäl ters 1 wird unmittelbar .nach dem Öffnen des Schiebers 6 infolge der sieh in bekannter Weise .ausbildenden Drueliwellen am linken Ende des Raumes 7 ein Unterdruclk entstehen. Dieser Unterdruck ist die unmittelbare Folge der plötzlichen Expansion der im Raum 7 eingeschlossenen Gase nach dem rechten Ende des Behälters 1 hin.

Der absolute Druck am linken Ende des Raumes 7 falle infolge- dessen kurzzeitig auf beispielsweise 0,5 ata. Wird nun das Ventil 5 .durch eine nicht :ge zeichnete Steuerung geöffnet, so wird aus der Atmosphäre Luft in den Raum 7 ein- dringen, bis der Unterdruck in dies:ein letz teren verschwunden ist.

Werden durch die erwähnten Steuerungen der Schieber 6 und dm, Ventil. 5 rechtzeitig wieder ge:sühlossen, so wird sich der Raum 7, abgesehen von den in seiner rechten Hälfte etwa noch verblie benen Verbrennungsgasen, wieder im An- fang,szustand befinden.

Die linke Seite :des Raumes 7 enthält wiederum reine Luft, so dass =durch Einspritzung und Entzündung weiterer Brennstoffladungen der ganze Vor gang beliebig oft wiederholt werden kann. Die Teile 2, 5 und 6 können dabei so ge steuert werden, dass der Brennstoff mit einer der Frequenzen der Eigenschwingungen des Behälterinhaltes verbrannt wird. Die ganze Einrichtung wirkt somit als thermischer. Ver dichter.

Die aus der Lavaldüse 9 entweiehen- fen Verbrennungsgase könnten beispiels weise eine Turbine treiben, wodurch der B:e- hälter 1 zum Treibgas:erzeuger für eine Tur bine wird.

Der Sehfeber 6 und seine Steuerung kön nen auch weggelasssen werden iFig. 21, wenn auf der linken Seite des Raumes 7 mittels E.in- spritzung und Zündung von Brennstoff, z. B. von Benzin, eine möglichst detonante Exp:lo- sionerzeugt wird.

Der Zweck des Schiebers 6 in, Fig. 1 besteht in der Tat nur darin, eine möglichst plötzlich einsetzende und hierauf ungehindert ablaufende Expansion der im Raum 7 eingeschlossenen Crase na.eh dein rechten Behälterende hin zu erzielen.

Be kanntlich. kann aber eine detonante Explosion am linken Behälterende auch ohne Verwen- dung eines Schiebers 6 im Stande sein, am linken Ende des Raumes 7 einen kurzzeiti gen Unterdruck zu erzeugen und damit .die Verwirklichung des beschriebenem. Kreis,- prozesses zu ermöglichen.

Die Verbrennung muss unter relativ hohen Drücken und Temperaturen durchgeführt werden, damit sie von einer möglichst weit gehenden Expansion gefolgt werden kann. <B>Zu</B> diesem Zweck sind der Behälter 1 und die Lavaldüsie 9 so gestaltet und der Betrieb wird so geführt, dass eine Aufschaukelung der Maximaldrücke erzielt wird.

Diese Auf- schaukelung wird sich beispielsweise in, f.o:l- gender Weise abspielen:

Beim Auftreffen: der von der ersten Explosion am linken Ende des Behälters 1 herrührenden Druckwelle auf den Flansch 10 (Fig. 2)

wird nur ein Teil der in dieser Welle enthaltenen Energie durch die Lavaldüse 9 in Geschwindigkeit und in der Turbine in mechanische Energie umgesetzt. Der nicht umgesetzte Teil der Druckwelle wird -durch den Flansch 10 unter Druck erhöhung reflektiert und bewegt sich hierauf mit der Schallgeschwindigkeit des Behälter inhaltes wieder @gegen das linke Ende des Behälters 1 zu.

In dem Augenblick, .in dem ,die reflektierte Druckwelle die Flanselh- scheibe !erreicht, wird _ sie nochmals reflek- tiert, wobei sie dort einen Druck erzeugt, der, falls ihr ,genügend Energie belassen wurde,

höher liegen wird als der vor der ersten Explosion in diesem Raume herrschende Druck von 1 ata. Der an der Flanschscheibe 4 erreichte Druck, der nunmehr zweimal re flektierten Druckwelle betrage beispielsweise 1,5 ata. Der Berg dieser Druckwelle befindet sich nun, in der Zone der nach der ersten Explosion an@gesauggten Luft.

Wird nun in dieser auf 1,5 ata verdichteten Luftzone ,inne zweite Brennstoffmenge rechtzeitig ein- gespritzt und gezündet, so wird sich ein:

, zweite Explosion mit einem Druck von bei spielsweise 3 ata ereignen. NacIh abermaliger zweifacher Reflexion der zweiten Druck- welle an den Teilen 10 und 4 wird sie an der Flanschs,cheibe 4 den Druck von beispiels weise 2,2 ata erreichen und durch Ein spritzung und:

Zündung einer weiteren Brenn- stoffmenge eine Explosion von beispielsweise 4,4 ata Maximaldruck ermöglichen. Diese Aufschaukelung wird so lange zunehmen,

bis die durch die Lavaldüse 10 abgeleitete Energie und die Wärmeverluste des Behäl ters 1 zusammengenommen so gross gewor den sind wie die durch die Einspritzdüse 2 und das Saugventil 5 eingeführte Energie.

Die durch cl" Saugventil 5 angesaugte Luft menge wird mit zunehmender Aufschauke- lung ,dadurch begrenzt, dass der Unterdruck am linken Behälterende mit zunehmender Aufschaukelung immer mehr abnimmt. Er reicht dieser Unterdruck die obere Grenze von 1 ata,

so wird das .automatische An saugen der Luft und das weitere Ansteigen des mittleren Druckes .im Behälter 1 verhin dert, wobei unter mittlerem Druck das In- tegral des Druckes:

über die doppelte Länge ,des Behälters 1 und die Zeitdauer eines Hin- und Herganges .zu verstehen ist.

Wird jedoch, nach F.i,g. 3, in welcher alle bisher erwähnten Teile gleich bezeichnet sind wie in den F\ig. 1 und 2, dem Ventil 5 vor verdichtete Luft zugeführt, so kann der mitt- lere Druck im Behälter 1 weiterhin gesteigert werden,

auch wenn der jeweilige Minimal druck .am linken Behälterende,den Wert von 1 ata übersteigen sollte. Die vorverdichtete Luft könnte .in diesem Falle durch .den Auf- ladeverdichter 11 .geliefert werden,

der von .der Hilfsturbine 12 angetrieben wird. Die Hilfsturbine 12 wird dabei durch eine<B>be-</B> sondere Leitung 13 von der Haupttreibgm- leitung 14 aus mit Treibgasen beliefert. Durch das Mittel der Vorverdichtung der angesaugten Luft lassen sich auf diese Weise der mittlere Druck im Behälter 1 sowie die auftretenden

Maximaldrücke noch erheblich steigern. Bei Anwendung von Maximal= ,drücken von beispielsweise 50 ata und mehr kann an Stelle von Benzin auch Gasöl als Brennstoff verwendet werden,

d'ä sich dieses in der hoch verdichteten und erhitzten Luft von selbst entzündet. Eventuell liessen sich durch noch höhere Maximal- bezw. Re flexionsdrücke sogar Heizöle und Schweröle oder auch Kohlenstaub mit annehmbarem Zündverz,ug verhrennen, da ja in diesem Falle .auf keine Zylinder- oder Kolben abnützung Rücksicht .genommen werden muss.

S:elbstverständlich können auch gasförmige Brennstoffe zur Anwendung gelangen.

Da sich .die Druckwellen mit der Schall- geschwindigkeit des Behälterinhaltes fort bewegen, ist die Frequenz und damit die Leistungsdichte, :das heisst die auf die Raum einheit entfallende Leistung, eines solchen Gas:kolben-Treib,aserzeugers relativ hoch. Nimmt man beispielsweise eine Fortpflan zungsgeschwindigkeit von rund 500 m/sec an. so hätte ein solcher Treibgaserzeuger von 3 m Länge eine Frequenz von rund 5000 m/rnin.

Das Ventil. 5, die Einspritzdüse 2 und die Zündkerze 3 können elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch in Funktion der Druckschwankungen im Behälter 1, die Einspritzdüse 2, die ihr vorgeschaltete Brenn- utoffpumpe und das Ventil 5 ausserdem noch in Abhängigkeit der Drehgeschwindigkeit der Treibgasturbine, der Belastung oder der Auspufftemperatur gesteuert werden.

Das Tellerventil 5 könnte auch durch ein selbsttätige;; @Rückschlaggventil oder eine aero dynamische Rückstromdrossel ersetzt werden. Die aerodynamischen Rückstromdrosseln, die so ausgebildet sind, @dass ihr Durehflusswider- stan:d in der einen Richtung kleiner ist als in der entgegengesetzten Richtung, haben.

den Vorteil, keine bewegten Teile zu enthal- ten, anderseits jedoch den Nachteil einer ge wissen Urdichtheit, was einen zusätzlichen Verlust verursacht.

Mit Rücksicht auf den Turbinenwirkungs grad bezw: auf den thermischen Wirkungu- grad der ganzen Anlage kann es von Vorteil sein, die Treibgase nicht direkt, sondern über einen Treibgassa.mmler 15 (Fig. 4) auf die Treibgasturbine 19 zu leiten, um die Schwan kungen des Treibgasdruckes teilweise auszu- gleichen,

wobei ein zweites Rückschlagventil bezw. eine zweite Rüekutromdrossel 17 zwi schen dem Behälter 1 und dem Treibgas- sammlier 15 angeordnet werden kann.

Bei der Anordnung nach Fig. 4 ist auch :das bisherige Tellerventil 5 durch eine Rückstrom@drossel 20 ersetzt. Vom Treibgassammler 15 ,gehen die Treibgase einerseits durch die Leitung ; 13 zur Hilfsturbine 12, anderseits durch eine Leitung 18 zur Hauptturbine 19.

Durch diffusorartige Ausbildung des rechten Endes des Behälters 1 l.ässt sich ein Teil der darin auftretenden Strömungsenergie ; in Druck umwandeln. Anderseits kann das linke Ende des Behälters 1 konisch verengt werden, um in diesem Ende die Amplituden der darin reflektierten Druck-,vellen zu er höhen und damit die Verbrennungstempera-, tur noch mehr zu steigern.

Der Behälter 1 sowie die @ücksch@ag- ventile können je nach Bedarf teilweise oder ganz mit Wasserkühlmänteln versehen wer den. Mit Rücksicbt auf das Material dürfen die Wa.udun:gstemperaturen 500 C erreichen und sogar übertreffen., was im Vergleich zur Zyliuderteinperatu:r von Kolbenbrennkra.ft- maschinen eine wesentliche. Erhöhung dar stellt und eine Herabsetzung der an das Kühlwasser abgegebenen Verlustwärme be deuten würde.

Der Zünddruck darf 1.00 at und mehr erreichen, wenn dies im betreffenden Fall für den thermischen Wirkungsgrad von Vor teil ist, da hier keine Rücksicht auf die Überanstrengung des Gestänges und :der Lager genommen werden muss, wie dies bei der Kolbenbrennkraftmaschine der Fall ist. Die Reibungsverluste der schwingenden Gas- In eind kleiner als diejenigen der Kolben und der Gestänge bei Kolbenbrennkraft- maschinen..

Die Leistung kann in bekannter Weise durch Veränderung der eingespritzten bezw. angesaugten Brennstoffmenge gesteuert wer den. Da es ohne weiteres möglich ist, eine grössere Anzahl Treibgaserzeuger auf eine gemeinsame Treibgasturbine wirken zu lassen, kann die Leistung ausserdem durch Abschal tung einzelner Treibgase:rzeuger geregelt werden.

Der flüssige. .gas- oder staubförmige Brennstoff kann kontinuierlich, pulsierend oder durch einzelne Einspritzungen bezw. Einblasunnggen in den. Behälter 1 eingeführt werden.

Der Mass enausgleich kann durch bewegte Ausgleichsmassen oder durch ,Synchronisa- tion paarweise o4der symmetrisch angeordne ter Treibgaserzeuger erzielt werden.

Der Gaskalben-Treibgas erzenger kann auch als die Brennkammer einer Gasturbine betrachtet werden. Gegenüber bekannten Ausführungen dieser Art unterscheidet sich der Gegenstand der Erfindung dadurch, dass bei ihm eine periodisch erregte Gasschwin- gung unterhalten wird, welche es ermöglicht,

den Druck und die Temperatur der Verbren nung und,damit ,den thermischen Wirkungs- grad dea Kreisprozesses zu erhöhen und durch Erzielung einer thermi2chen Verdichtung .im Treib"-,

aserzeuger selbst einen Teil der allen falls erforderlichen Verdichtungsarbeit bei wesentlich höherem Wirkungsgrad unmittel bar zu gewinnen. Dadurch wird der mecha nische Leistungsaufwand für :den Antrieb eines allenfalls nötigen rotierenden Verdich ter herabgesetzt und eine wesentliche Steige rung des thermischen Wirkungsgrades der ganzen Crasturbinenanla@g.e erreicht.

Der Gaskolben-Treibgaserzewger kann namentlich bei Anwendung hoher Zünd- ,drücke Vorteile bieten.

Er kann mit dem Dieselmotor, dem F,reikolben-Treibgaserzeu- :ger und der Gasturbine in Wettbewerb treten und diese, teils durch seine Einfach heit, teils durch seine Wirtschaftlichkeit, übertreffen.

Zum Anlassen eines solchen Gaskolben- Treibgaserzeugers wird zweckmässig Benzin oder Gas als Brennstoff und elektrische Zün dung verwendet. Sobald die Aufschaukelung genügend hoch .gelangt ist, kann unter Ab schaltung der elektrischen. Zündung auf Gasöl oder sonstige Brennstoffe umgeschal- tet werden. Das Anlassen kann aber auch mittels Druckluft geschehen.

In diesem Falle wird die Druckluftzufuhr mit einer Frequenz gesteuert, die ein Einfaches oder Vielfaches der Grundfrequenz des Gasinhaltes des Behälters 1 ist. Auf diese Weise kann der Druck aufgeschaukelt werden, bis der Betrieb auf Brennstoff umgeschaltet werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: I. Verfahren zur Erzeugung von Treib- gasen mittels schwingender Gase, dadurch gekennzeichnet, dass in einem .geschlossenen,

mit Einlass- und Auslassorganen versehenen Behälter mit einer der Frequenzen .der Eigen schwingungen seines Inhaltes periodisch Brennstoff verbrannt und die .dadurch an geregte Gasschwingung ausgenützt wird,

um durch die Einlassurgane Luft anzusaugen und durch die Auslassorgane das erze%gte Treibgas auszustossen. II. Treibgaserzeuger zur Ausübung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter eine läng- liehe Gestalt,

an einem Ende mindestens ein Einlassorgan und am andern. Ende mindestens ein Auslassergan aufweist. UNTERANSPRMHE 1. Verfahren zur Erzeugung von. Treib ,gasen nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, #dass, wenigstens ein Teil des verwendeten Brennstoffes in .gasförmigem Zustand angesaugt wird. 2.

Verfahren zur Erzeugung von Treib gasen nach Patentanspruch I und Unteran spruch 1, dadurch :gekennzeichnet, dass die Luft und der Brennstoff dem Treibgaserzeu- ger in vorverdichtetem Zustand zuggeführt werden.

3. Treibigaserzeuger nach Patentanspruch II, ,dadurch ;gekennzeichnet, dass der Behäl- ter am saugseitigen Ende mit mindestens einer Einspritzdüse für flüssigen Brennstoff und mit mindestens einer Zündvorrichtung versehen ist.

4. Treib:gaserzeuger nach Patentanspruch II und Unteranspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass die Einlass- und Auslassorgane des Behälters als aeredynamische Rück stromdrosseln ausgebildet sind. 5.

Treibgaserzeuger nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter am Saug- und Druckende verschiedene Querschnitte aufweist, um an den Behälter- i enden verschieden hohe Druckamplituden zu erhalten.

6. T'reibgaserzeuger nach Patentanspruch II und Unteransprüchen 3-5, dadurch ge kennzeichnet, dass der Behälter am saug- seitigen Ende verengt, am druckseitigen Ende ,dagegen erweitert ist, um die Druck amplitude der Gasschwingung am druck seitigen Ende herabzusetzen, diejenige am saugseitigen Ende dagegen zu erhöhen.

7. Treibgaserzeuger nach Patentanspruch II und Unteransprüchen 3-6, dadurch ge kennzeichnet, dass ,die in den Treibgaserzeu- ,ger eingeführten Brennstoffe durch die Tem- peraturerhähun!g entzündet werden, welche die Gasschwingung im Gebiete der grössten Schwingungsamplituden durch politropische Verdichtung erzeugt.

$. Treübgaserzeuger nach Patentanspruch 1I und Unteransprüchen 3-7, dadurch ge kennzeichnet, dass flüssiger Brennstoff ver wendet und dieser kontinuierlich eingespritzt wird. 9. Trei.bgaserzeuger nach Patentanspruch II, dadurch .gekennzeichnet, dass die Ver brennung durch detonante Selbstzündung er folgt.

10. Treibgase.rzeuger nach Patentanspruch II, dadurch ,gekennzeichnet, dass in der Zone, in welcher sich die Verbrennung vollzieht, ein Glühkörper aus hachhit.zebeständigem Material als Zündhilfe eingebaut ist. 11. Treibgaserzeuger nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zum Teil fester Brennstoff in staubförmiger Form verwendet wird.