Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage Vorliegende Erfindung bezieht sich auf die bekannte Bauart von Verpuffungsbrenu- kraftturbinenanlagen mit Verpuffungskam mern, die in Riehtung ihrer Längserstreckung parallel zur Achse des Turbinenläufers sowie des diesen umgebenden Gehäuses um letzteres angeordnet sind.
Diese Anordnung erwies sich in Verbin- dung mit einem älteren Arbeitsverfahren zweckmässig, nach welchem die in den Ver puffungskammern erzeugten Feuergase über ein an ihrem Ende angebrachtes Düsenventil zur Beschaufelung entlassen werden, an die sich nach weiteren Vorschlägen ein zweites Turbinengehäuse anschliessen kann, in wel- ehem die nach Druek und Temperatur in Zwischenbehältern ausgeglichenen Gase mit höherem Radwirkungsgrad als in der ersten, stossweise beaufschlagten Turbinenstufe verar beitet werden. Die Verpuffungskammern waren dabei stets mit gleichen peripheren Ab ständen voneinander um die verlängert ge dachte Achse der Turbinenwelle angeordnet.
Inzwischen sind Arbeitsverfahren vorge schlagen worden, bei denen die bei einer Ver puffung erzeugten Feuergase in mindestens zwei Stufen expandiert und die hierzu erfor derlichen Beschaufelungen in demselben Tur binengehäuse angeordnet werden. Die Feuer gase werden dabei den Verpuffungskammern mit wenigstens zwei verschiedenen Anfangs drücken entnommen, so dass unter Einschluss der Entnahme des durchweg mit der Lade- laftspannung entnommenen Feuergasrestes eine mindestens dreifache Anzapfung der Ver puffungskammern erforderlich wird.
Würde man unter Anlehnung an die eingangs er wähnten, bekannten Bauarten diese Anzapfun gen über an einem Ende der Kammern an geordnete Düsen- und Auslassventile bewir ken, so ergäben sich nicht nur infolge der notwendigen Ventilsteuerungen baulich ge drängte Verhältnisse, sondern auch lange Überführungsleitungen für die hochgespann ten und hocherhitzten Feuergase mit der Not wendigkeit der Kühlung und entsprechenden thermodynamischen Nachteilen.
Selbst wenn sich Kammern und Gehäuse, quer zur Achs richtung der Turbinenwelle gesehen, decken würden, würden diese Nachteile mur unwesent lich beseitigt werden, weil selbst bei Vertei lung der Zapfstellen über die Länge der Ver puffungskammern durch Unterbringung der LTberführungsleitungen zwischen Kammern und Gehäuse räumlich gedrängte Verhältnisse und Betriebsnachteile deshalb entstehen wür den, weil die Zugänglichkeit zum Läufer den vorherigen Abbau sämtlicher dieser Leitungen und den Ausbau der Ventilsteuerungen samt dem mechanischen und/oder hydraulischen Steuerungsgestänge bedingen würde.
Die sich hiermit ergebende Aufgabe, den Gesamtauf bau der 'Turbine nach Anordnung der Ver- puffungskammern und Ausbildung der 'Steue- rung dem erwähnten Arbeitsverfahren ohne Zulassung baulich gedrängter Verhältnisse und ohne Entstehen betrieblicher Nachteile anzupassen, wird erfindungsgemäss dadurch grundsätzlich gelöst, dass, ausgehend von Ver- puffungsbrennkraftturbinenanlagen mit Ver puffungskammern, die in Richtung ihrer Längserstreckung parallel zur Achse des Ver puffungsturbinenläufers sowie des diesen um gebenden Gehäuses um letzteres angeordnet sind,
die Verpuffungskammern nur um die untere Hälfte des mehrteilig ausgebildeten Ge häuses angeordnet sind.
Die Vorteile dieser Lösung liegen auf der Hand. Durch diese Anordnung wird bei einer beispielsweise zweiteiligen Gehäuseausführung die gesamte obere Gehäusehälfte frei von allen An- und Einbauten, so dass sie nach Art der obern Gehäuseschale einer Dampfturbine ausgebildet werden kann. Weitere Verein fachungen lassen sich dadurch erzielen, dass jeweils mehrere Verpuffungskammern, vor zugsweise paarweise, etwa durch Aneinander- flansehung, Zusammengiessen, Aneinander- schweissen, Verschrauben oder dergleichen, blockartig vereinigt sind.
Die Zeichnung zeigt als Ausführungsbei spiel der Erfindung eine vierkammerige Ver- puffungsbrennkraftturbinenanlage. Im ein zelnen veranschaulicht Fig.1 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht auf die Gesamtanlage, wobei eine der Kammern im senkrechten Längs schnitt gemäss der Linie I-I der Fig. 2 dar gestellt ist.
Fig. 2 entspricht in zwei Ebenen geführ ten, senkrechten Querschnitten durch die Tur bine nach Linie II-II der Fig.1.
Fig.3 zeigt die bauliche Ausbildung der Steuertung eines Düsenventils im einzelnen. Fig. 4 entspricht einem senkrechten Schnitt nach Linie IV IV der Fig. 3.
Fig. 5 zeigt eine Stirnansicht auf die Steuereinrichtung der Turbine, während Fig. 6 einem senkrechten Querschnitt nach Linie VI-VI der Fig. 5 entspricht.
Fig.7 zeigt eine gegenüber Fig.2 etwas abgeänderte Ausführungsform des Sitzes für ein Auslassventil und der sich anschliessenden Leitungsteile.
In der in den Fig. 1 bis 7 dargestell ten Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage be zeichnet 1 den Läufer der Verpuffungstur bine mit den Rädern 2 und 3 sowie den um laufenden, einkränzigen Beschaufelungen 4 und 5; das diese Teile aufnehmende Turbinen gehäuse ist mit 6 bezeichnet. Vorhanden ist ausserdem die Nutzleistungsturbine 33, zu deren Betrieb die Ausströmgase der vorer wähnten, als Treibgaserzeuger ansehbaren Turbinenanlage dienen. Der umlaufenden Be- schaufelungsanordnung 4, 5 zugeordnet sind vier Verpuffungskammern, die paarweise zu je einem Doppelkammerblock vereinigt sind. Der rechts gelegene Doppelkammerblock mit den Verpuffungskammern 7 und 8 ist in den Fig. 1 und 2 erkennbar.
Ein. entsprechender Doppelkammerblock liegt, wie Fig. 2 erkennen lässt, auf der linken Seite mit den in Fig. 1 durch die Kammern 7, 8 überdeckten Ver puffungskammern 9 Lund 10. Man erkennt, dass die Symmetrieebene jedes Doppelkammer blockes, welche die Zeichnungsebene in der Linie 11-11 in Fig. 2 schneidet, etwa unter 45 zur horizontalen Teilungsebene 12-12 des Turbinengehäuses 6 angeordnet ist. Wäh rend das Turbinengehäuse die Teilungsfuge 12-12 aufweist, sind die Seitendeckel 13, die Lager 14, die nicht sichtbaren ;Stopfbuchsen sowie die nichtgezeichneten Labyrinthe und Dichtungen ungeteilt ausgeführt.
Die Kam mern jedes Doppelkammerblockes sind, wie die Fig. 2 und 3 erkennen lassen, durch Zu sammengiessen miteinander vereinigt. Durch diese Anordnung ergibt sieh die Möglichkeit, die obere Hälfte des Gehäuses 16 als ein fachen Gehäusedeckel auszubilden und sämt liche feuergasbespülten Bauelemente in der untern Hälfte des 'Gehäuses unterzubringen, in der die Verpuffungskammern angeordnet sind. Diese feuergasbespülten Teile bestehen ausser dem bereits erwähnten Läufer 1 aus Düsen 15, die der Besehaufelung 4 des Rades 2 vorgeordnet sind.
Vorhanden sind weiter die Düsenvorräume 16 mit den öffnungen 17 als Sitz der Düsenventile 18, während die Düsen 15 segmentförmig an die zu beauf schlagende Beschaufelung 4 herangezogen sind. Fig.2 lässt weiter erkennen, dass die Sitze 17 der Düsenventile annähernd in einer Tangentialebene zum Turbinengehäuse 6 lie gen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Übergänge zwischen den Verpuffungskam merhohlräumen 20, und den Düsenventilsitzen 17 als dünnwandige und gekühlte krümmer artige Teile 19 auszubilden, in deren ventil- sitzseitig gelegenen Hälsen 21 die an ihren Enden halbkugeligen Führungsteile 22 der zwischen den Kammern jedes Doppelkammer blockes gelegenen Düsenventile angeordnet sind.
Hinter der ersten Turbinenstufe, gegeben durch die Teile 15, 4, liegt die Auffangdüse 24, an die sich eine Auffüllkammer 25 an schliesst, deren Auslass als Düse 26 der Be- schaufelung 5 der zweiten Turbinenstufe 26, 5 vorgeordnet ist. Die Auffüllkammer 25 erhält aber nicht nur Feuergase über die Auffang düse 24, die in. der ersten Turbinenstufe 15, 4 einer Teilexpansion unterworfen waren, son dern sie erhält auch unmittelbar aus den Ver- puffungskammern Frischgase über Düsenven tile 27, deren Ausbildung sich von der der Ventile 18 nicht unterscheidet. Zu diesem Zwecke schliessen sich an die Sitze der Düsen ventile 27 Krümmer 28 an, die bei 29 in die Auffüllkammer 25 übergehen.
Hinter der zweiten Turbinenstufe 26, 5 liegt eine Fangdüse 30, welche die der zweiten Teilexpansion unterworfenen Feuergasteil mengen über den Leitungsteil 31 zur Treib gasentnahmeleitung 32 führt. Über die Treib- gasentnahmeleitulng 32 erhält der Verbraucher 33 die zu seinem Betriebe erforderlichen Treibgase. Der Läufer 1 der Verpuffungs- brennkraftturbinenanlage treibt seinerseits über die Kupplung 34 die Hilfsmaschinen der Anlage, soweit sie nicht, wie Zündmaschinen und Brennstoffpumpen, mit der Brennkraft turbine ummittelbar vereinigt sind, an.
In vorliegendem Falle bestehen die ausserhalb der Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage an geordneten Hilfsmaschinen aus dem Lade luftverdichter 35; im Falle des Brenngas- betriebes wäre auch der Brenngasverdichter mitanzutreiben.
Wie Fig.1 weiter erkennen lässt, ist jede Verpuffungskammer mit einem Ladeluftven til 36 ausgerüstet, in das das Brennstoffein- spritzventil 37 unmittelbar eingebaut ist. Eine Ladeluftzuführungsleitung 38 verbindet die Verpuffungskammern mit dem Ladeluftver dichter 35, gegebenenfalls unter Einschal tung eines Zwischenkühlers. Die Steuerung des Ladeluftventils 36 ist bei 39 schematisch angegeben. Die Brennstoffzuführungsleitung zum Ventil 37 ist als allgemein bekannt nicht eingezeichnet worden.
Nicht gezeichnet sind auch Leitungsteile, die sich an das bisher nicht erwähnte Aus lassventil 40 der in Fig.1 im 'Schnitt gezeig ten Verpuffungskammer 8 anschliessen. Diese sich an die Sitze der Auslassventile 40 der Doppelkammerblöcke in Feuergasrichtung an schliessenden Leitungsteile sind ebenfalls als dünnwandige und gekühlte sowie durch flach gedrückten, taschenartigen Verlauf den Un terbringungsräumen zwischen Turbineninnen- und -aussengehäuse angepasste Teile ausgebil det, deren zur Treibgasentnahmeleitung 32 offenen Hälse in Richtung deren Längs erstreckung abgebogen sind. Dadurch wird er reicht, dass der Feuergasrest in das Leitungs stück 31 und die Treibgasentnahmeleitung 32 übergeschoben wird.
Hier bildet sich infolge zeitlich veränderlicher Zufluss- und Abfluss- verhältnisse ein zuerst ansteigender, dann ab fallender Druckverlauf aus, der als Gegen druck auf die zweite ,Stufe zur Wirkung kommt. Demgemäss wird die zweite Turbinen stufe einem Gegendruck unterworfen, der mit Ausnahme der Auffüllperiode den Charak ter einer Expansion hat.
Da der Verlauf die ses Gegendruckes durch Versetzung der Ar beitsspielabschnitte in den einzelnen Kam mern gleichzeitig und gleichartig zum Verlauf der Beaufschlagungsdrücke in der Düse 26 und der Beschaufelung 5 der zweiten. Tur binenstufe vor sich geht, werden in dieser Turbinenstufe die Gefälleschwankungen be deutend verringert, so dass höhere Ra:'dwir- kungsgrade als bisher verwirklicht werden können.
Gleichzeitig kann das Teilgefälle so bemessen werden, dass die einkränzige Be- schaufelung 5 zur Bewältigung dieses Teil gefälles ausreicht. Die für die zweite Tur binenstufe geschilderten Verhältnisse gelten sinngemäss für die erste Turbinenstufe. Denn auch der in der Auffüllkammer 25 unter dem Einfluss der beiden Feuergaszuflüsse auftre tende Druck wirkt sich über die Auffang düse 24 als Gegendruck in bezug auf die vor geordnete Turbinenstufe 15, 4 aus. Der Ver lauf des Druckes innerhalb der Auffüllkam mer 25 hat wieder bis auf eine Auffüllperiode den Charakter einer Expansion, da der In halt der Auffüllkammer über die Düse 26 ent spannt wird.
Wiederum ist es auf die er wähnte Versetzung der Arbeitsspiele um einen Arbeitsspielabschnitt in den einzelnen Kam mern zurückzuführen, dass diese Gegendruck bildung gleichzeitig zu den Beaufschlagungs drücken der ersten Turbinenstufe abg ewik- kelt wird. Infolge der gleichartigen Charakte ristik und des synchronen Ablaufs unterliegt also<I>auch</I> die erste Turbinenstufe bedeutend kleineren Gefälleschwankungen als bei frü heren Ausführungen, so dass sie mit hohem Radwirkungsgrad betrieben werden kann, weil die maximalen Gefälländerungen nach oben höchstens 30 %, nach unten höchstens 15 % des optimalen Gefälles betragen.
Wie derum ist das in dieser Turbinenstufe zur Verarbeitung gelangende Teilgefälle grössen ordnungsmässig so zu bemessen, dass einkrän- zige Beschaufelungen 4 zur Verarbeitung aus reichen.
Die Erzeugung der Feuergase selbst ist bekannt. Bei Eröffnung des Ladeventils 36 öffnet sich gleichzeitig Auslassventil 40. Die eintretende Ladeluft schiebt infolge des schlanken Diffusors der an der Einlassseite der Verpuffungskammer vorgesehenen Ven- turidüse den Feuergasrest aus der vorherge henden Verpuffung über das geöffnete Aus lassventil 40 aus, wobei es zu der bereits ge schilderten Gegendruckbildung in bezug auf die Türbinenstufe 26, 5 kommt.
Noch wäh rend dieses Vorganges führt der Kolben der Brennstoffpumpe seinen Förderhub aus und spritzt in die Ladeluft eine der jeweiligen Leistung entsprechende Brennstoffmenge ein Dadurch bildet sich in der Kammer bereits während des Verdrängungsvorganges ein zünd- fähiges Gemisch Dieses Gemisch füllt die Kammer völlig in dem Zeitpunkt, in dem sich die Ventile N und 40 schliessen. Damit ist der erste Arbeitsspielabschnitt abgewickelt. Es folgt der Arbeitsspielabschnitt der Zün dung und Verpuffung bei völlig geschlossenen Ventilen, wobei die Zündeinrichtungen als allgemein bekannt nicht gezeigt sind. An den Arbeitsspielabschnitt der Zündung und Ver puffung schliesst sich derjenige der ersten Teilexpansion an, in dem sich Düsenventil 18 öffnet.
Gleichzeitig öffnet sich das Düsenventil 27 einer andern Kammer und entlässt eine niedriger gespannte Feuergasteilmenge in die Auffüllkammer 25. Diese erhält somit gleich zeitig Feuergase aus der T urbinenstufe 15, 4 über die Auffangdüse 24 und ummittelbar aus einer andern Verpuffungskammer Feuergase über deren geöffnetes Düsenventil 27 und Krümmer 28. Unter dem Einfluss dieser bei den Feuergaszuflüsse füllt sich die Kammer 25 rasch mit Feuergasen an, die aber über die Düse<B>26</B> zur Beaufschlagung der Beschaufe- lung _ 5 der zweiten Turbinenstufe benutzt werden.
Eine dritte Kammer hat gleichzeitig mit diesen beiden Vorgängen ihr Auslassventil eröffnet, so dass der ,Feuergasrest über das zugehörgie Auslassventil 40 ausgeschoben wird und so zu einer entsprechenden Gegendruck bildung im Radkammerraum der zweiten Tur binenstufe Veranlassung gibt. In einer vierten Kammer sind wiederum gleichzeitig mit die sen drei Vorgängen Zündung und Verpuf- fung abgewickelt worden. Was für die 'Kam mer 8 ausgeführt worden ist, gilt sinngemäss auch für die übrigen Kammern der Turbine.
'Fig.2 zeigt im einzelnen, noch die Be festigung der obern Gehäusehälfte an der untern. Zu diesem Zwecke sind in Umhül lungsrohre 41 versenkte, somit unsichtbare, zweckmässig nachträglich hartverlötete'Schrau- benverbindungen 42 vorgesehen, die die hori zontalen Flanschen 43, 44 durchsetzen. Es besteht die-zeichnerisch nicht. im ein zelnen veranschaulichteMöglichkeit, feuergas- bespülte Elemente zu einem gemeinsamen Einsatzstück zu vereinigen, das als Ganzes in die untere Gehäusehälfte ein- bzw. auszu bauen wäre.
Die Fig. 3 und 4 zeigen die Einzelausbil dung der Verpuffungskammern und der Dü senventilsteuerung. Die Steuerung selbst ist mechanisch-hydraulisch. Jeder Doppelkam merblock weist eine in seiner Symmetrieebene 11 liegende, parallel zur Achse des Turbinen läufers 1 verlaufende Steuerwelle 46 auf, auf der den Düsen- und Auslassventilen gegen über eine vierdrehbare Büchse 47 angeordnet ist. Ihre jeweilige Stellung ist über Aren 48, Nut 48a in der Büchse 47, Wellenst-umpf 52 und Vierkant 50 einstellbar. An die Stelle dieser Verstelleinrichtung kann jede andere treten, mittels derer die Lage der Nocken gegenüber ihrer Antriebswelle veränderlich ist. Dadurch kann die Relativlage der Nocken 51 gegenüber der Antriebssteuerwelle 46 in bestimmter Weise verstellt werden.
Büchse 47 nimmt Kulissensteine 49 auf, die ihrerseits in Schrägnuten 50a und 50b der sich berüh renden Gleitflächen der Teile 46 und 4 7 lie gen, wobei die Richtung der Schräge der Nuten zueinander entgegengesetzt verläuft. An jedem Nocken 51 liegt die Rolle 53 des Winkelhebels 54 an, der bei 55 gelagert ist. Der freie Hebelarm des Winkelhebels läuft in einer Kugelpfanne 57 aus, in der der Druckkopf 58 des Vorsteuerschiebers 59 des Düsenventils l8 aufgenommen ist.
Dieser Vor steuerschieber bringt also in Abhängigkeit von den Umlaufbewegungen der Steuerwelle 46 zu bestimmten Zeitpunkten während be stimmter Zeitspannen das Druckmittel, etwa in Form von Drucköl, auf die nicht gezeich neten Einflussflächen der Steuerung des Ven tils 18 zur Wirkung oder entlastet sie vom Öldruck unter Belastung einer andern Steuer fläche. Diesen Steuerbewegungen entspre chend wird das Düsenventil 18 während be stimmter Zeitspannen eröffnet oder geschlos sen.
Was für das eine Düsenventil ausge führt worden ist, gilt in gleicher Weise für die andern Düsenventile des gleichen Dop- pelkammerblockes und für die vier Düsen ventile des andern, nicht gezeichneten Doppel kammerblockes. Es gilt ebenso für die Aus lassventile 40 der beiden Doppelkammerblöcke, die von derselben Steuerwelle 46 mechanisch hydraulisch gesteuert werden. Die Feinein stellung erfolgt dabei jeweils über die Vier kante 50.
Die Steuerwelle 46 (Fig.4) wird ange trieben durch das Kegelrad 60. Das Kegelrad 60 greift in das Gegenrad einer Schrägwelle ein, deren äussere Kapselung in Fig. 5 bei 61 zu erkennen ist. Mit einem zweiten, nicht ge zeichneten Gegenrad greift die Schrägwelle in das Kegelrad ein, das auf der Vorgelege steuerquerwelle 63 (Fig. ss) angeordnet ist, die als Steuerhauptwelle ausgebildet ist. Die Achse dieser Steuerhauptwelle 63 verläuft un terhalb der Verpuffungskammerblöcke 7, 8 und 9, 10 und des Turbinengehäuses 6 senk recht zur Achse des Läufers 1 der Turbine. Auf der Steuerhauptwelle 63 sind, wie Fig. 6 erkennen lässt, die Antriebsnocken 64 der Brennstoffpumpen 65 untergebracht, wobei je ein Kipphebel 66 die Nockenbewegung ab nimmt und auf die Stössel i67 der Brenn stoffpumpen 65 überträgt.
Die Regelung der Brennstoffp-unpen ist bei 68 angedeutet. Auf der 'Steuerhauptwelle W weiter angeordnet sind die Nocken -69, die zur Betätigung der Ladeluftventile 316 dienen. Zu diesem Zwecke sind wieder Vorsteuerschieber, entsprechend den Vorsteuerkolben :59 (siehe Fig. 3!) der Düsenventile 18, in den Gehäusen 84 unterge bracht.
Diese Vorsteuerschieber sitzen auf in Gehäusen 83 gekapselten Stösseln 71, deren Druckköpfe 7<B>2</B> in den Pfannen <B>78</B> der Win kelhebel 74 aufgenommen sind. Die Winkel hebel 74 sind -am die Drehbolzen 76 .schwenk- bar. Der eine Arm trägt die Rollen 77, die an den Betätigungsnocken 69 der Steuer hauptwelle zur Anlage kommen. Auf der Steuerhauptwelle <B>63</B> weiter angeordnet ist das mit zweifacher Verzahnung versehene Rad 78.
Die erste Verzahnung dieses Rades greift zu nächst in das nicht gezeichnete Ritzel des elektrischen Antriebsmotors der Steuerhaupt- welle 63 ein. In die zweite Verzahnung greift das Zahnrad 79 ein, das seinerseits wieder eine Kegelverzahnung trägt. Mit dieser Kegel verzahnung kämmen die Kegelräder 80 der Zündmaschinen 81. Die Steuerhauptwelle ist in einem Gehäuse 82 untergebracht, das mit den Rohrführungen 61 der Antriebsschräg wellen der Steuerwellen 46 und mit den Rohr gehäusen 83 für die Ladelütventil-Steuer- stössel 71, weiter mit den Doppelkammer blöcken 7 bis 10 und dem Gehäuse 6 bzw. den Ventilgehäusen 84 ein starres Ganzes bil det.
Die gesamte Maschinenanlage ist auf den Kammern 7 und 9 bei 85 abgestützt. Auf diese Weise fallen sowohl ein besonderer Ma schinenrahmen als auch ein Grundrahmen der Maschine völlig fort, da alle Gehäuse Stäbe eines auf diese Weise fachwerkartig ausgebildeten Rahmens bilden.
Bei dem in Fig.7 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel der Ventilsitzausbildung für ein Auslassventil ist von der Aufgabe ausgegan gen worden, die Anschlussteile bereits ausser halb der Turbine zu einer fertigen Einbau einheit zusammenzustellen. Zu diesem Zwecke besitzt der Krümmer 86, der sich an den den Auslassventilsitz bildenden Gehäuseteil 87 an schliesst und mit ihm abgedichtet verbunden ist, wobei gegebenenfalls noch Zwischenstücke zwischen beiden Teilen vorgesehen sein kön nen, einen Kühlmantel 88. Der so entste hende Kühlraum ist durch ein Abschlussstück 89 nach aussen abgeschlossen. Das Abschluss stück 89 ist bei 90 mit dem Ende des Krüm mers 86 verschweisst.
Das plattenförmige Ab- sehlussstück 89 gewährt dadurch die Möglich keit, feuergasaufnehmende Leitungsstücke an schliessen zu können. Bei 91 ist das Einlass ende des Krümmers mit dem Teil 92 ver schweisst, der einen Teil des Kühlraummantels bildet.