Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage Vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine V erpuffungsbrennkraftturbinenanlage mit Gegendruckabsenkung hinter einer von Feuergasen beaufschlagten Beschaufelung und mit Verpuffungskammern, die mehrere gesteuerte Zapfstellen zur Entnahme von Feuergasteilmengen aufweisen, die zur Be aufschlagung der Beschaufelungen und zur Erzeugung der Gegendrücke dienen.
Dadurch, dass auch die Drüeke hinter den Beschaufelungen abgesenkt werden, lassen sieh die in den Beschaufelungen ausnutzbaren Differenzdrücke bis auf Abweichungen, die dadurch entstehen, dass die zur Gegendruck erzeugung benutzten Gase zunächst einmal unter schnell vorübergehendem Druekabfall die Gegendruckräume auffüllen müssen, weit gehend v ergleichmässigen, so dass gute Rad wirkungsgrade entstehen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das Arbeitsverfahren derartiger Verpuf- fungabrennkraftturbinen weitgehend ihren konstruktiven Aufbau bestimmt. Verfolg t nman die diesbezügliche Entwicklung, so stellt man fest, dass man ursprünglich von Turbi nenanordnungen mit vertikaler Turbinenachte ausging, um die die Verpuffungskammern im Kreise so angeordnet waren, da ss ihre Hälse, die durch Düsenventile eröffnungs- und ver- chliessbar ausgebildet waren, die Feuergase auf die oberhalb dieser Hälse liegenden Düsen und Beschaufelungen entliessen.
Später ging man von der bei dieser Turbinengattung ver wirklichten einstufigen Dehnung zu Verpuf- fungsbrennkraftturbinen über, bei der die Verbrennungsgase in mindestens zwei Stufen verarbeitet wurden, wobei die erste Stufe durchweg mit einer Curtisbeschaufelung ver sehen war, während man in der zweiten und in den folgenden Stufen die Ausströmgase der Curtisstufe nach Ausgleich der Drücke und Temperaturen Parsonsbeschaufelungen, im Sonderfall auch weiteren Curtisbeschaufe- lungen zuführte.
In diesem Falle ordnete man die Verpuffungskammern mit ihren Längs achsen auf einem gedachten Zylindermantel an, dessen Erzeugende parallel zur Turbinen achse verläuft, wobei die Verpuffungskam- mern in axialer Richtung der Curtisbeschau- felung der Hochdruckstufe vorgeschaltet waren. Es ergaben sich also beträchtliche Bau längen. der Turbinen, so dass die weitere Ent- wieklung der Explosionsturbinen von dem Wunsche gelenkt war, die Baulängen wesent lich zu verringern.
Das geschah dadurch, dass man die horizontal verlaufenden Turbinen aehsen beibehielt, die Längsachsen der Ver- puffungskammern aber senkrecht zur Achse der Turbinenwelle anordnete und die Ver- puffungskammern selbst unter dem Maschi nenflur versenkt unterbrachte, Bei dieser wei teren Entwicklung behielt man die mehr- stufige Abarbeitung der erzeugten Feuer gase bei.
Inzwischen aber wurde das Arbeitsverfah ren entsprechend den einleitenden Ausfüh rungen geändert, indem man zu Verpuffungs- brennkraftturbineneinheiten überging, die praktisch nur noch Treibgaserzeuger oder iDruckgasgeneratoren sind. Dadurch entsteht die Möglichkeit, als Verbraucher der erzeug ten Treibgase Turbinen zu wählen, die keine grundsätzlichen Abweichungen von der Dampfturbinenbauart zeigen mit dem einzi gen Unterschied, dass sie die zur Verarbei tung der verhältnismässig hoch temperierten Gase erforderlichen Werkstoffe aufweisen.
Der Übergang zu einem derartigen Be triebsverfahren bedeutet also, dass die den leistungserzeugenden Teil des Treibgaserzeu gers bildende Verpuffungsbrennkraftturbine ihre äussere Leistung im wesentlichen zum Betriebe der Hilfsmaschinen, insbesondere der Betriebsmittelverdichter, abgibt, wobei diese Verdichter aus Luftverdichtern und für den Fall, dass gasförmige Brennstoffe zur Verwendung gelangen, aus Gasverdichtern bestellen;
ausserdem sollen die erforderlichen Hilfsmaschinen in Form von Kühlmittel- urnwälzpumpen, Schmiermittelpumpen, Brenn stoffeinspritzpumpen für den Fall der Ver wendung flüssiger Brennstoffe, Nachladeluft- v erdiehtern und sonstigen Hilfsmaschinen an getrieben werden. Die Erfüllung der weiterern Aufgabe, den Wirkungsgrad derartiger Ver- puffungsbrennkraftturbinen durch hohe Rad wirkungsgrade zu steigern, bedeutet, dass man nicht. mehr auf die Ausnutzung der Ab wärme, das heisst der Kühl- und Abgaswärme, angewiesen ist.
Denn die Ausnutzung dieser Abwärme bringt es mit sich, dass sperrige, schwere und kostspielige Wärmetauseher ver wirklicht werden müssen, die den grundsätz lich einfach und gedrängt zu haltenden Auf bau der Turbine stören, insbesondere dann, wen n die erzeugten Treibgase zum Antrieb von Fahr- und Flugzeugen dienen sollen.
Hiernach kennzeichnet sich die erfindungs- geinässeV erpuffungsbrennkraftturbinenanlage mit Gegendruckabsenkung hinter einer von Feuergasen beaufsehlagten Beschaufelung und mit Verpuffungskammern, die mehrere ge steuerte Zapfstellen zur Entnahme von Feuer gasteilmengen aufweisen, die zur Beaufschla gung der Beschaufelungen und zur Erzeu gung der Gegendrücke dienen, dadurch, dass die Verpuffungskammern um ein die Düsen und Besehaufelungen einkapselndes Gehäuse herum so angeordnet sind, dass sie, quer zur Achsrichtung der Turbinenwelle gesehen, zwi schen den äussersten Gehäuseabschlüssen lie gen, während, in zur Turbinenwelle radialer Richtung, die Zapfstellen unmittelbar in die Düsen übergehen.
Dadurch ergibt sich ein ausserordentlich gedrängter, übersichtlicher und leichter Auf bau des als Verpuffungsbrennkraftturbine ausgeboildeten Treibgaserzeugeraggregates, so dass es beispielsweise möglich geworden ist, eine Leistung von etwa 20 000 k\V innerhalb eines Kubikmeters Raumbedarf unterzubrin gen. Vergleicht man diesen Raumbedarf mit dem Raumbedarf einer Dampfturbine und einer Kesselanlage gleicher Leistung, so er gibt sich der erhebliche Fortschritt vorliegen der Erfindung dem Bekannten gegenüber, der auch dann erhalten bleibt, wenn man den Raumbedarf von Dieselmasehinen oder Gleich druckturbinen gleicher Leistung in den Ver gleich einbezieht.
Die Aasbildung derartiger Verpuffungsbrennkraftturbinen bedeutet, dass die axiale Länge des Treibgaserzeugers nicht grösser wird als die axiale Länge seiner Hauptteile. Es fällt auch die Erstreckung der Anlage in unterhalb des Maschinenflurs lie gende Räume fort, die eintrat., wenn man die Längsachsen der Verpuffungskammern senk recht zur Läuferachse anordnete. Die so er reichte Raumbeschränkung der Anlage ist bei zahlreichen Einbaufällen von entscheidender Bedeutung für die TMögliehkeit der Verwen dung der Wärmekraftanlage.
Ein derartiger Fall liegt beispielsweise vor beim Einbau des Triebwerkes in den Flügel von Flugzeugen, beim Einbau in Unterseeboote, torpedoför- rrtige Geschosse und bei vielen andern Anwen dungen, bei denen zur Unterbringung der Kraftmaschine nur ein beschränkter Raum zur Verfügung steht. Ein derartiger Fall ist auch gegeben beim Einbau der Kraftanlage in unterirdische Räume etwa bei Bergwerken, Sicherheitsstollen, weiter beim Einbau in Lo komotiven, Triebwagen, Schnellboote, Schiffe usw.
Die Zeichnung zeigt eine Ausführung der Erfindung am Beispiel einer Anlage, die aus einer Verpuffungsbrennkraftturbine mit vier Kammern als Treibgaserzeuger und aus einer Parsonsturbine als Verbraucher des Treib gases besteht.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht auf den Treibgaserzeuger sowie den angeschlossenen Verbraucher in schematischer Darstellung, wobei eine der Verpuffungskammern gemäss Linie I-I der Fig. 2 im senkrechten Längs schnitt gezeigt ist.
Fig. 2 entspricht teilweise senkrechten Querschnitten durch den Treibgaserzeuger gemäss den Linien II-II, III-III und IV IV der Fig. 1, teilweise einer Stirnan sicht auf die Verpuffungsbrennkraftturbine an der Kammereinlassseite.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Treibgasentnahmestutzen des Treibgaserzeu gers.
Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestell ten Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage mit einem aus Verpuffungskammern, Düsen und Beschaufelungen einer Verpuffungsturbine bestehenden Treibgaserzeuger und einem ebenfalls als Turbine ausgebildeten Verbrau- eher für die von der Verpuffungsbrennkraft- turbine erzeugten Feuergase sind um die noch näher zu beschreibenden Düsen und Beschau felungen der Verpuffungsturbine langge streckte Verpuffungskammern mit ihren Längsachsen parallel zur Achse des die um laufenden Beschaufelungen tragenden Läu fers und eines die Düsen und Beschaufelun- gen einkapselnden Turbinengehäuses so ange ordnet, dass sie,
quer zur Turbinenachse ge sehen, zwischen den äussersten Gehäuse abschlüssen liegen, während, in zur Achse der Turbinenwelle senkrechter, also radialer Rich- tung, die gesteuerten Zapfstellen der Verpuf fungskammern unmittelbar in die Düsen übergehen.
Im einzelnen ist das den Turbinenläufer 1 mit den Rädern 2 und 3 sowie den umlaufen den einkränzigen Beschaufelungen 4 und 5 aufnehmende Turbinengehäuse mit 6 bezeich net. Um dieses Turbinengehäuse 6 herum sind v ier Verpuffungskammern a, b, c und d so angeordnet, dass ihre Längsachsen parallel zur Achse 1l-11 des die umlaufenden Be- schaufelungen 4, 5 tragenden Turbinenläufers 1 verlaufen. Die Längen des Gehäuses 6 und der Kammern<I>a</I> bis<I>d</I> sind so bemessen und die Anordnung im Verhältnis zueinander ist so getroffen, dass die Kammern a bis d zwi schen den äussersten Gehäuseabschlüssen lie gen, die links durch die Kuppel des Lager gehäuses, rechts durch den Abschlussflansch für die Wellendichtung gegeben sind.
Jede der Verpuffungskammern ist dabei von einem in Fig. 1 schematisch angedeuteten Kühlman tel 12 umgeben; aus Gründen zeichnerischer V ereinfachung ist der Mantel 12 in Fig. nicht gezeigt. Die Kammern a bis d bestehen in an sich bekannter Weise aus einem. als Venturidüse ausgebildeten Einlassende 13 mit sehr schlankem Diffusor 14. Im Kopf der, Kammer liegt das Ladeluftventil 15, das unter dem Einfluss einer Steuerung 16 steht.
In das Ladeluftventil eingebaut ist ein Ein- spritzventil 17; Brennstoffzuführungsleitun- gen, Brennstoffpumpen und in der Verpuf- fungskammer angeordnete Zündeinrichtungen sind als allgemein bekannt nicht einge7eich- net. Jede der Verpuffungskammern a bis d ist an drei Stellen angezapft. Die Zapfstellen sind mit 18, 19 und 20 bezeichnet.
Jede Zapf stelle ist, durch ein gesteuertes Ventil ab schliessbar, wobei die Ventile 21 -Lind 22 Düsenventile sind, während das Ventil 23 ein Auslassv entil für den Feuergaerest ist. Infolge der erfindungsgemäss getroffenen Anordnung ist es möglich, .die Ventile 21, 22 und 23 un mittelbar gegenüber den Verbrauchsstellen für die durch sie entlassenen Teilmengen der je Kammer und Verpuffung erzeugten Feuer gasgesamtmenge bzw. für den Feuergasrest anzuordnen.
So schliesst sich an das Düsen ventil 21 der Kammer a, das zum Unterschied gegen das in Fig. 1 sichtbare Düsenventil 21,d der Kammer d mit 21a bezeichnet worden ist, unmittelbar die Verbrauchsstelle in Form der Düse 24a an. Eine entsprechende, aber nur schematisch angedeutete Düse 24d ist in Fig. 1 im Anschluss an das Düsenventil 21d der Kammer d dargestellt worden. In bezug auf Kammer c sind in Fig. 1 nur die äussern Steuerungen 25c der Düsenventile 21c und 22c sowie des Auslassventils 23c dieser Kammer c zu erkennen. Diese Steuerungen sind durch weg hydraulisch und für alle Ventile in gleichartiger Weise ausgebildet; sie sind als an sieh bekannt nicht näher veranschaulicht.
Die einzelnen Düsen 24, also 24a, 24b, 24c und 24d, liegen sämtlich vor der einkränzigen Be- schaufelung 4 des Rades 2 des Läufers 1, so dass, wie insbesondere Fig. 2 links oben er kennen lässt, zwischen den Düsenventilen und den Düsen äusserst kurze Feuergasüberfüh rungsleitungen, Düsenvorräume genannt, lie gen.
Da Düsenvorräume und Düsen gekühlt sind und da in diesen Düsenvorräumen und Düsen äusserst grosse Geschwindigkeiten auf treten, kommt es bei der hohen Temperatur und der hohen Spannung der durch diese Räume strömenden Feuergase zur Kleinhal tung der W ärmeübergangsverluste entschei dend darauf an, dass diese Räume so klein wie möglich ausfallen, damit die Wärmeüber gangsflächen entsprechend gering ausfallen.
Jeder die Beschaufelung 4 des Rades 2 be aufschlagenden Düse 24 liegt eine Auffang düse 26 gegenüber, die, wie Fig. 1 in gestri chelt gezeichneten Linien zeigt, in eine Auf füllkammer 27 übergeht, die ihrerseits wieder in eine ebenfalls gestrichelt dargestellte Düse 28 ausläuft, die der einkränzigen Beschaufe- lung 5 des zweiten Rades 3 des Läufers 1 als Düse vorgeordnet ist. In die Auffüllkammer 27 münden auch an die Ventile 22 angeschlos sene, nicht gezeichnete Leitungen, indem sich an deren Ventilsitz ein Überführungskrüm mer 29 anschliesst, der in die Auffüllkammer 27 bei 30 einmündet.
Die Auffüllkammer 27 erhält also aus zwei verschiedenen Quellen Feuergase; sie nimmt zunächst über die Auf fangdüse 26 Feuergase auf, die in den Düsen 24 bzw. in der Beschaufelung 4 bereits Arbeit geleistet haben; sie nimmt weiter frische Feuergase über die Ventile 22 bei deren Er öffnung über die Krümmer 29 auf. Sie gibt die so empfangenen Feuergase über die ge meinsame Düse 28 zur Beaufschlagung der Deschaufelung 5 des zweiten Turbinenrades 3 ab. Ausser den Düsenventilen 21 und 22 sind Auslassventile 23 für den Feuergasrest vorge sehen, wobei die Ausbildung des Auslass ventils 23c in Fig. 2 unten rechts im einzel nen zu, erkennen ist.
An den Sitz des Auslass- v entils 23c schliesst sich, wie Fig. 2 zu ent nehmen ist, eine Leitung 31c an, die, wie Fig. 3 erkennen lässt, mit dem Querschnitt eines nierenförmigen Ringsektors 32e, in der Nähe des Anschlussquerschnittes 33 der Treib gasentnahmeleitung 34 in diese ausmündet; er geht also aus der Rohrform in der Nähe von 23c in einen Ringsektor in der Nähe von 33 über. Eine entsprechende Leitung führt zu dem Auslassventil 23b der Verpuffungs kammer b. Auch die Leitung 34 mündet, im Ansehlussquerschnitt 33 der Treibgas entnahmeleitung 34 in Form eines nieren förmigen Ringsektors 32b aus.
Eine dritte und vierte Leitung 31,d und 31a führen zu den ent sprechenden Auslassventilen 23d und 23a der Verpuffungskammern d und a und besitzen wieder ringsektorartige Auslassquerschnitte 32,1 und 32" in der Anschlussebene 33 der Treibgasentnahineleitung 34.
Der Querschnitt der an der, Treibgasentnahmestutzen, als der zusammenfassend die Leitringen 32a, 32b, 32,,, 32d und 35 bezeichnet werden sollen, ange- sehlossenen Tr eibgasentnahmeleitung 34 ist so bemessen, dass in ihr auftretende, vom an gewandten Verpuffungsverfahren herrührende, Druckschwankungen sich ausgleichen können, so dass die Leitung 34 als Druckausgleicher wirksam ist.
Die vier nierenförmigen Ring sektoren 32 umschliessen den bereits erwähn ten zentralen Feuergasausla.ss 35, der an die Fangdüse 36 angeschlossen ist, welche die Feuergase auffängt, die in den Düsen 28 bzw. in der Beschaufelung 5 des zweiten Turbinen- fades 3 der Verpuffungsturbine Arbeit ge leistet haben, Diese Verpuffungsturbine treibt die Hilfsmaschinen der Gesamtanlage, insbe sondere den Ladeluftverdichter 37 an, dessen Antriebswelle 38 mit der Welle des Läufers 1 unnmittelbar gekuppelt ist. Die Treibgasent nahmeleitung 34 führt zu dem Verbraucher 39 der Anlage, die als vielstufige Parsons- turbine ausgebildet ist; sie dient als Sockel des Ladeluftverdichters 37.
Ein Quergehäuse 40 (Fig. 1) hält Gehäuse 6 und Kammern a bis d am zum Verbraucherteil 39 entgegen gesetzt liegenden Ende des Gehäuses 6 zusam men und bildet dessen Auflager.
Natürlich kann man zwischen den Stutzen 32 32a, 32b, 32c, 32d, 35 und die Treibgasleitung 34 auch einen besonderen, zum Druckausgleich dienenden Raum einschalten. Die Wirkungsweise der so gekennzeichne ten baulichen Ausbildung der Anlage ist fol gende: Es sei angenommen, in der Kammer d sei soeben ein vollständiges Arbeitsspiel abge wickelt worden. Demgemäss ist die Kammer d noch mit dem Feuergasrest erfüllt. Beim Be ginn eines neuen Arbeitsspiels öffnet sich Ladeluftventil 15d, unter dem Einfluss der Steuerung 16d. Gleichzeitig öffnet sich das Auslassventil 23d der gleichen Kammer d.
Die bei 41 eintretende Ladeluft breitet sich in dem venturidüsenartig ausgebildeten Einlass 13 der Verpuffungskammer d und vor allem im Diffusor 14, da dessen schlanke Form Ab lösungen des Luftstromes von den leitenden Wänden verhindert, über den Kammerquer schnitt aus und schiebt den Feuergasrest aus der Kammer d über das gleichzeitig unter dem Einfluss seiner Steuerung 25,d geöffnete Auslassventil 23d aus.
Während des Feuergas- restverdrängungs- und Ladevorganges voll führt der Kolben der zugehörigen Brennstoff pumpe seinen Förderhub und spritzt über das sich öffnende Ventil 17 in die Ladeluft Brennstoff ein, so dass im Zeitpunkt des Schliessens der Ventile 15d und 23d eine zünd- fähige Ladung die Kammer d erfüllt. Der Feuergasrest selbst gelangt über das Lei- tungsstück 31d in den nierenförmigen Auslass sektor 32d und von dort in die Treibgas entnahmeleitung 34.
Da aber der Radkasten der Beschaufelung 5 über die Räume 36 und 35 ebenfalls in offener Verbindung mit der Treibgasentnahmeleitung 34 und damit mit dem nierenförmigen Auslasssektor 32d steht, übt der unter demn Einfluss der Ladeluft über Leitungsstück 31d aasgeschobene Feuergas rest auf die Beschaufelung 5 die Wirkung eines Gegendruckes aus, der infolge der ab Anschlussquerschnitt 33 eintretenden Vor gänge den grundsätzlichen Charakter einer Expansion besitzt.
Während dieses Feuergas- restverdrängungsvorganges als des ersten Ab schnittes eines in der Kammer d insgesamt abzuwickelnden Arbeitsspiel, auf das die Ab schnitte der Zündung und Verpuffung sowie zwei Abschnitte einer stufenweisen Expan sion folgen, waren aber auch die Ventile 21 und 22 zweier bisher nicht betrachteter Kam mern geöffnet worden, während alle Ventile einer vierten Kammer geschlossen blieben, weil sich in dieser gerade Zündung und Ver puffung abwickelten. Geht man zunächst auf die Kammer U ein, so sei angenommen, deren Düsenventil 21a wäre geöffnet worden. Es wäre ebenso denkbar, dass eines der Düsen ventile 21b_d der Kammern b-d geöffnet hätte.
Dann wäre in der Kammer a entweder das zweite Düsenventil 22a oder überhaupt keines der Ventile eröffnet worden. Die Reihenfolge ist also gleichgültig, es kommt nur darauf an, dass in dreien der vier Kam mern ein anderes Ventil geöffnet hatte. Ver bleibt man also bei der Eröffnung des Ventils 21" der Kammer a, so hatte dieses Ventil eine Feuergasteilnienge entlassen, deren Anfangs zustand durch Auftreten des höchsten Ver- puffungsdruckes gegeben war.
Das bedeutet also, da.ss in dem Zeitpunkt, in dem sich Lade- lu1tVelltil 15d und Auslassventil 23d der Kam nier d eröffnet hatten, in der Kammer a ge rade der höchste Verpuffungsdruck aufgetre ten war. Unter diesem höchsten Verpuffungs- druck strömt in dem genannten Zeitpunkt die über Düsenventil 21a entlassene Feuergasteil- menge der- Düse 24a zu. Dadurch wird die Be- schaufelung 4 des Rades 2 des Läufers 1 mit Feuergas versorgt.
Diese Feuergase, die somit bereits einen Teil ihres Gefälles an die Be- schaufelung 4 abgegeben haben, werden dann über Auffangdüse 26 aufgefangen und der Auffüllkammer 27 zugeführt. Diese Auffüll- kamnmer hatte aber inzwischen bereits Feuer gase über das geöffnete Düsenventil 22b der Kammer b erhalten Das Düsenventil 22b, bitte dabei in dem Zeitpunkt geöffnet, in dem in der Kammer a der höchste Verpuf fungsdruck aufgetreten war. In dem gleichen Zeitpunkt hatten in der Kammer d die Ven tile 15d und 23d geöffnet. Unter dem Einfluss der beiden Feuergaszuflüsse füllt sich die Auffüllkammer 27 schnell mit Feuergasen auf.
Der sieh in der Kammer 27 so schnell aufbauende Innendruck übt über die Auf fangdüse 26 auf die Beschaufelung 4 des Rades 2 eine Rückwirkung aus, die in der Form eines bestimmten Gegendruckverlaufes auf tritt. Da aber die Auffüllkammner 27 ander seits mit der Beschaufelung 5 des Rades 3 über Düse 28 in offener Verbindung steht, unter liegen die in die Auffüllkammer 27 entladenen Feuergasmengen gleichzeitig einer Expansion, mit andern Worten, der auf die Radanord nung 2, 4 von der Auffüllkamnmer 2 7 aus aus geübte Gegendruck hat wieder den gr und- sätzliehen Charakter einer Expansion.
Da dies infolge der dargestellten zyklischen Ver setzung der Arbeitsspielabsclhnitte in den ein zelnen Verpuffungskammern gleichzeitig zu den über Düse 24d ausgeübten Beaufschla gungsdrücken erfolgt, treten vor und hinter dem Düsen- und Beschaufelungssystem 24,4 gleichartige Druckverläufe und damit Ent- halpiegefälle auf, die mit gutem Radwir kungsgrad verarbeitbar sind.
Dieselbe Wirkung tritt in Bezug auf das Düsen- und Beschaufelungssystem 28,5 auf. Die einkränzige Beschaufelung 5 unterliegt nämlich zunächst, den Beaufschlagungsdrük- ken, die aus der Auffüllkammer 27 über die Düse 28 ausgeübt werden. Sie unterliegt wei ter infolge des aus Kammer d entladenen Feuergasrestes der oben erläuterten Gegen- druekabsenkung, die über die in offener Ver- bindung stehenden Räume bzw. Querschnitte 31d, 32,d, 35 und 36 auf die Beschaufelung 5 zur Wirkung gebracht wird.
Was an Hand des Ladevorganges der Kammer d, an Hand der ersten Teilexpansion der unter demn Verpuffungsdruck als An fangsspannung stehenden Teilmenge der in der Kammer a je Verpuffung erzeugten Feuergasgesanmtmenge, und was für die Kam- mner b an Hand der zweiten Teilexpansion der unter einem niedrigeren Anfangsdruck stehenden Teilmenge der je Verpuffung in der Kammer b erzeugten Feuergasgesamt menge, was schliesslich an Hand der gleich zeitig im Arbeitsspielabschnitt der Zündung und Verpuffung stehenden, also völlig ge schlossene Ventile aufweisenden Kammer c dargelegt worden ist, gilt sinngemäss für die andern Arbeitsspielabschnitte jeder der vier Kammern,
da in diesen nur in zyklischer Ver tauschung dieselben Vorgänge eintreten.
Was für vier Kammern ausgeführt wor den ist, kann sinngemäss bei jeder Kammer zahl verwirklicht werden. Die Kammern brau chen auch nicht um das Turbinengehäuse im Kreise gleichmässig verteilt angeordnet zu werden, sondern es sind auch andere Anord nungen denkbar, ohne da.ss .die durch die Er findung vorgeschriebene, grundsätzliche An ordnung verlassen werden soll.
Bei dem Ausführungsbeispiel ist eine -aus Verpuffungsbrennkra.ftturbine und Verdreh ter bestehende Treibgaserzeugereinheit zur Speisung einer aus einer Parsonsturbine be stehenden Verbrauchereinheit benutzt worden. Hierauf ist aber die Erfindung nicht be- schränkt. Zwar wird man im allgemeinen zu.r Speisung einer Verbrauchereinheit der An lage wenigstens eine Treibgaserzeugeereinheit vorsehen, die die Hilfsmaschinen der Anlage antreibt. Man kann aber auch mehrere Treib- gdserzeugereinheiten vorsehen, die in Parallel..
anordnung zur Speisung einer gemeinsamen Verbrauchereinheit dienen. Diese TreAgas- erzeugereinheiten sind dann zweckmä.Pjig unter sich gleichartig ausgebildet, damit man, unter Anwendung des bekannten Baukasten- prinzips, Anlagen beliebiger Leistung aus gleichartigen und daher wirtschaftlich herzu stellenden Einheiten erstellen kann. Man kann umgekehrt mehrere, treibgasaufneh- mnende und Leistung in Form äusserer Arbeit abgebende Verbrauchereinheiten an eine ein zige Treibgaserzeugereinheit im Treibgasweg anschliessen oder an mehrere derselben.
In sämtlichen dieser Fälle ist es zweck mässig, als einzige Verbindung zwischen Treib gaserzeuger und treibgasbeaufschlagten Lei stungsturbinen Leitungen vorzusehen, die einbaulos sind, das heisst, in denen man nicht, wie das bei früheren Anlagen dieser Art not wendig wurde, Wärmetauscher anordnete, um den Treibgasen den Wärmeinhalt ganz oder teilweise zu entziehen und auf andere Ar beitsmittel wie Dampf, Quecksilber oder der gleichen zu übertragen, um auf diese Weise aueh die Abwärme der Treibgase auszunutzen. Man erhält also einfache Anlagen, ohne die sogenannte Wärmewirtschaft, zu der es bisher. auch gehörte, dass man den Kühlmitteln der Verpuffungsbrennkraftturbinen die aufge nommene Kühlwärme mehr oder weniger ent zog.
Auch diese Verwertung der Abwärme in Form von Kühlwärme bedingte sehr ver- wiekelte Anordnungen, so dass es einer we sentlichen Vereinfachung entspricht, wenn derartige Anlagen ohne sämtliche Einrich tungen hergestellt und ausgebildet werden können, die zur Durchführung einer derarti gen Wärmewirtschaft bisher erforderlich waren.
The present invention relates to a V erpuffungsbrennkraftturbinenanlage with counterpressure reduction behind a blading acted upon by fire gases and with deflagration chambers that have several controlled taps for the withdrawal of partial amounts of fire gas that are used for loading the blading and generating the counterpressures.
Because the pressures behind the blading are also reduced, the differential pressures that can be used in the blading, except for deviations that arise from the fact that the gases used to generate the counterpressure first have to fill the counterpressure chambers with a rapid temporary drop in pressure, can be largely evened out so that good wheel efficiencies arise.
The invention is based on the knowledge that the working method of such explosive combustion power turbines largely determines their structural design. If one follows the development in this regard, one finds that the original assumption was that turbine arrangements with a vertical turbine eighth, around which the deflagration chambers were arranged in a circle so that their necks, which were designed to be openable and closable by nozzle valves, the fire gases released onto the nozzles and blading above these necks.
Later, the single-stage expansion implemented in this type of turbine was switched to deflagration combustion turbines, in which the combustion gases were processed in at least two stages, the first stage being provided with Curtis blades throughout, while the second and the following stages were used Stages the outflow gases of the Curtis stage, after equalization of the pressures and temperatures, fed Parsons blading, in special cases also further Curtis blading.
In this case, the deflagration chambers were arranged with their longitudinal axes on an imaginary cylinder jacket, the generator of which runs parallel to the turbine axis, the deflagration chambers being upstream of the Curtis blading of the high pressure stage in the axial direction. So there were considerable construction lengths. of the turbines, so that the further development of the explosion turbines was guided by the desire to significantly reduce the overall length.
This was done by keeping the horizontally running turbines axially, but arranging the longitudinal axes of the deflagration chambers perpendicular to the axis of the turbine shaft and sunk the deflagration chambers themselves under the machine floor. The multi-stage development was retained for this further development Processing of the generated fire gases.
In the meantime, however, the working process has been changed in accordance with the introductory remarks by switching to deflagration internal combustion turbine units, which are practically only propellant gas generators or compressed gas generators. This creates the possibility, as consumers of the propellant gases produced, to choose turbines that do not show any fundamental deviations from the steam turbine design with the only difference that they contain the materials required to process the relatively high-temperature gases.
The transition to such an operating method means that the power-generating part of the propellant gas generator forming the deflagration combustion power turbine essentially delivers its external power to the operation of the auxiliary machines, in particular the operating fluid compressor, these compressors consisting of air compressors and in the event that gaseous fuels are used Get use, order from gas compressors;
In addition, the necessary auxiliary machines in the form of coolant circulation pumps, lubricant pumps, fuel injection pumps in the event of the use of liquid fuels, recharge air theaters and other auxiliary machines are to be driven. The fulfillment of the further task of increasing the efficiency of such deflagration combustion power turbines through high wheel efficiencies means that one does not. is more dependent on the utilization of the waste heat, i.e. the cooling and exhaust heat.
The use of this waste heat means that bulky, heavy and costly heat exchangers have to be implemented, which interfere with the turbine structure, which is basically simple and compact, especially when the propellant gases generated are used to drive propulsion. and planes to serve.
According to this, the gas inlet turbine system according to the invention is characterized by a counterpressure reduction behind blading exposed to fire gases and with deflagration chambers which have several controlled tapping points for the removal of partial quantities of fire gas which are used to pressurize the blading and to generate the counterpressures Deflagration chambers are arranged around a housing that encapsulates the nozzles and blisters so that, viewed transversely to the axial direction of the turbine shaft, they lie between the outermost housing ends, while, in a radial direction to the turbine shaft, the taps pass directly into the nozzles.
This results in an extraordinarily compact, clear and easy construction of the propellant gas generator set designed as a deflagration combustion turbine, so that it has become possible, for example, to accommodate an output of around 20,000 k \ V within one cubic meter of space. If you compare this space requirement with the space requirement of a Steam turbine and a boiler system of the same power, so it gives the considerable progress present the invention compared to the known, which is also retained if you include the space requirements of Dieselmasehinen or equal pressure turbines of the same power in the comparison.
The formation of such deflagration combustion power turbines means that the axial length of the propellant gas generator is not greater than the axial length of its main parts. There is also the extension of the system in underneath the machine floor lying low spaces, which occurred. If you arranged the longitudinal axes of the deflagration chambers perpendicular to the rotor axis. The space restriction of the system achieved in this way is of decisive importance for the possibility of using the thermal power system in numerous installation cases.
Such a case occurs, for example, when installing the engine in the wing of aircraft, when installing it in submarines, torpedo-shaped projectiles and in many other applications in which only limited space is available to accommodate the engine. Such a case is also given when installing the power plant in underground rooms, for example in mines, safety tunnels, and further when installing them in locomotives, railcars, speedboats, ships etc.
The drawing shows an embodiment of the invention using the example of a system that consists of a deflagration combustion turbine with four chambers as a propellant gas generator and a Parson turbine as a consumer of propellant gas.
Fig. 1 shows a side view of the propellant gas generator and the connected consumer in a schematic representation, with one of the deflagration chambers according to line I-I of FIG. 2 is shown in vertical longitudinal section.
Fig. 2 corresponds partially to vertical cross-sections through the propellant gas generator according to lines II-II, III-III and IV IV of FIG. 1, partially to a front view of the deflagration combustion turbine on the chamber inlet side.
Fig. 3 shows a top view of the propellant gas extraction nozzle of the propellant gas generator.
In the deflagration combustion turbine system shown in FIGS. 1 and 2 with a propellant gas generator consisting of deflagration chambers, nozzles and blading of a deflagration turbine and a consumer, also designed as a turbine, for the fire gases generated by the deflagration turbine are around the nozzles to be described in more detail and blading of the deflagration turbine arranges elongated deflagration chambers with their longitudinal axes parallel to the axis of the rotor carrying the rotating blades and a turbine housing encapsulating the nozzles and blades so that they,
See transversely to the turbine axis, between the outermost housing terminations, while, in a radial direction to the axis of the turbine shaft, the controlled taps of the deflagration chambers pass directly into the nozzles.
In detail, this is the turbine rotor 1 with the wheels 2 and 3 and the rotating the single-ring blades 4 and 5 receiving turbine housing with 6 denotes net. Four deflagration chambers a, b, c and d are arranged around this turbine housing 6 in such a way that their longitudinal axes run parallel to the axis 11 -11 of the turbine rotor 1 carrying the rotating blades 4, 5. The lengths of the housing 6 and the chambers <I> a </I> to <I> d </I> are dimensioned and the arrangement in relation to one another is made such that the chambers a to d lie between the outermost housing terminations These are given by the dome of the bearing housing on the left and by the end flange for the shaft seal on the right.
Each of the deflagration chambers is surrounded by a Kühlman tel 12 indicated schematically in FIG. 1; For reasons of simplicity of the drawing, the jacket 12 is not shown in FIG. The chambers a to d consist of one in a manner known per se. Inlet end 13 designed as a Venturi nozzle with a very slim diffuser 14. The charge air valve 15, which is under the influence of a control 16, is located in the head of the chamber.
An injection valve 17 is built into the charge air valve; Fuel supply lines, fuel pumps and ignition devices arranged in the deflagration chamber are not included as they are generally known. Each of the deflagration chambers a to d is tapped at three points. The draw-off points are labeled 18, 19 and 20.
Each tap point can be closed by a controlled valve, the valves 21-Lind 22 nozzle valves, while the valve 23 is an outlet valve for the remainder of the fire gas. As a result of the arrangement made according to the invention, it is possible to arrange the valves 21, 22 and 23 directly opposite the consumption points for the partial amounts of the total amount of fire gas generated per chamber and deflagration or for the remaining fire gas.
Thus, the nozzle valve 21 of the chamber a, which, in contrast to the nozzle valve 21 d of the chamber d which is visible in FIG. 1, has been designated by 21a, is immediately followed by the point of consumption in the form of the nozzle 24a. A corresponding, but only schematically indicated nozzle 24d has been shown in FIG. 1 following the nozzle valve 21d of the chamber d. With regard to chamber c, only the external controls 25c of the nozzle valves 21c and 22c and of the outlet valve 23c of this chamber c can be seen in FIG. These controls are designed hydraulically and for all valves in the same way; they are not further illustrated as known per se.
The individual nozzles 24, ie 24a, 24b, 24c and 24d, are all in front of the single-wreathed blading 4 of the wheel 2 of the rotor 1, so that, as can be seen in particular in FIG. 2 at the top left, between the nozzle valves and the nozzles extremely short fire gas transfer lines, called nozzle vestibules, are located.
Since the nozzle vestibules and nozzles are cooled and since extremely high speeds occur in these nozzle vestibules and nozzles, the high temperature and the high voltage of the fire gases flowing through these rooms to keep the heat transfer losses small is crucial that these rooms are in this way be as small as possible so that the heat transfer areas are correspondingly small.
Each the blading 4 of the wheel 2 be impacting nozzle 24 is a collecting nozzle 26 opposite, which, as Fig. 1 shows in dashed lines, merges into a filling chamber 27, which in turn expires in a nozzle 28 also shown in dashed lines, which is arranged upstream of the single-crowned blading 5 of the second wheel 3 of the rotor 1 as a nozzle. Lines (not shown) also open into the filling chamber 27 connected to the valves 22 by a transfer elbow 29 which opens into the filling chamber 27 at 30 at the valve seat.
The filling chamber 27 thus receives fire gases from two different sources; it initially takes on the collecting nozzle 26 on fire gases that have already done work in the nozzles 24 and in the blading 4; it continues to take in fresh fire gases via the valves 22 when they are opened via the manifold 29. It emits the fire gases received in this way via the common nozzle 28 to act on the blading 5 of the second turbine wheel 3. In addition to the nozzle valves 21 and 22, outlet valves 23 are provided for the residual flue gas, the formation of the outlet valve 23c being shown in detail at the bottom right in FIG.
As can be seen in FIG. 2, a line 31c connects to the seat of the outlet valve 23c, which, as FIG. 3 shows, has the cross section of a kidney-shaped annular sector 32e, in the vicinity of the connection cross section 33 of FIG Propellant gas extraction line 34 opens into this; it therefore changes from the tubular shape in the vicinity of 23c to a ring sector in the vicinity of 33. A corresponding line leads to the exhaust valve 23b of the deflagration chamber b. The line 34 also opens into the connection cross-section 33 of the propellant gas extraction line 34 in the form of a kidney-shaped ring sector 32b.
A third and fourth line 31, d and 31a lead to the corresponding outlet valves 23d and 23a of the deflagration chambers d and a and again have ring-sector-like outlet cross-sections 32, 1 and 32 ″ in the connection plane 33 of the propellant gas extraction line 34.
The cross-section of the propellant gas sampling line 34 connected to the propellant gas extraction nozzle, which is to be referred to collectively as the guide rings 32a, 32b, 32 ,,, 32d and 35, is dimensioned so that pressure fluctuations occurring in it resulting from the deflagration process used can equalize, so that the line 34 is effective as a pressure equalizer.
The four kidney-shaped ring sectors 32 enclose the already mentioned central Feuergasausla.ss 35, which is connected to the catch nozzle 36, which catches the fire gases that work in the nozzles 28 or in the blading 5 of the second turbine fade 3 of the deflagration turbine ge have performed, This deflagration turbine drives the auxiliary machines of the entire system, in particular the charge air compressor 37, whose drive shaft 38 is directly coupled to the shaft of the rotor 1. The propellant gas acquisition line 34 leads to the consumer 39 of the system, which is designed as a multi-stage Parsons turbine; it serves as the base of the charge air compressor 37.
A transverse housing 40 (Fig. 1) holds housing 6 and chambers a to d at the end of the housing 6 opposite to the consumer part 39 men together and forms its support.
Of course, between the connecting pieces 32, 32a, 32b, 32c, 32d, 35 and the propellant gas line 34, a special space used for pressure equalization can also be switched on. The mode of operation of the structural design of the system marked in this way is as follows: It is assumed that a complete work cycle has just been completed in chamber d. Accordingly, the chamber d is still filled with the residual fire gas. At the start of a new work cycle, the charge air valve 15d opens, under the influence of the controller 16d. At the same time, the outlet valve 23d of the same chamber d opens.
The charge air entering at 41 spreads in the venturi nozzle-like inlet 13 of the deflagration chamber d and especially in the diffuser 14, since its slim shape prevents the air flow from separating from the conductive walls, over the cross-section of the chamber and pushes the residual flue gas out of chamber d via the outlet valve 23d which is open at the same time under the influence of its control 25, d.
During the flue gas residual displacement and charging process, the piston of the associated fuel pump completes its delivery stroke and injects fuel into the charge air via the opening valve 17, so that when the valves 15d and 23d close, an ignitable charge enters the chamber d met. The residual fire gas itself reaches the kidney-shaped outlet sector 32d via the line piece 31d and from there into the propellant gas extraction line 34.
However, since the wheel arch of the blading 5 is also in open connection with the propellant gas extraction line 34 and thus with the kidney-shaped outlet sector 32d via the spaces 36 and 35, the residual flue gas pushed out under the influence of the charge air via the line section 31d has the effect of a Back pressure, which has the basic character of an expansion due to the transitions occurring from connection cross-section 33 before.
During this flue gas residual displacement process as the first section of a total work cycle to be carried out in chamber d, followed by the sections of ignition and deflagration and two sections of a gradual expansion, there were also valves 21 and 22 of two chambers that were not previously considered mern been opened while all the valves of a fourth chamber remained closed because in this ignition and Ver puffung unfolded. If one first goes into the chamber U, it is assumed that its nozzle valve 21a has been opened. It would also be conceivable that one of the nozzles would have opened valves 21b_d of chambers b-d.
Then either the second nozzle valve 22a or none of the valves at all would have been opened in the chamber a. The order is therefore irrelevant, it just depends on the fact that another valve was open in three of the four chambers. If one remains with the opening of the valve 21 ″ of the chamber a, this valve had released a part of the flue gas, the initial state of which was given by the occurrence of the highest deflagration pressure.
This means that at the time at which the charge air valve 15d and outlet valve 23d of the chamber d opened, the highest deflagration pressure had just occurred in chamber a. At this highest deflagration pressure, the partial amount of fire gas released via nozzle valve 21a flows to nozzle 24a at the time mentioned. As a result, the blades 4 of the wheel 2 of the rotor 1 are supplied with fire gas.
These fire gases, which have thus already given off part of their gradient to the blades 4, are then collected via the collecting nozzle 26 and fed to the filling chamber 27. However, this filling chamber had already received fire gases via the open nozzle valve 22b in chamber b. The nozzle valve 22b, please open at the time when the highest deflagration pressure had occurred in chamber a. At the same time, the valves 15d and 23d had opened in chamber d. Under the influence of the two fire gas inflows, the filling chamber 27 quickly fills up with fire gases.
The internal pressure that builds up so quickly in the chamber 27 exerts a reaction on the blading 4 of the wheel 2 via the collecting nozzle 26, which occurs in the form of a certain counterpressure curve. But since the Auffüllkammner 27 on the other hand with the blading 5 of the wheel 3 is in open connection via nozzle 28, the discharged into the filling chamber 27 are subject to an expansion at the same time, in other words, the voltage on the Radanord 2, 4 of the Auffüllkamnmer 2 7 from counter pressure exerted again has the fundamental character of an expansion.
Since this occurs as a result of the illustrated cyclical offset of the work cycle segments in the individual deflagration chambers at the same time as the loading pressures exerted via nozzle 24d, similar pressure profiles and thus enthalpy gradients occur in front of and behind the nozzle and blading system 24, 4 Radwir efficiency are processable.
The same effect occurs with respect to the nozzle and blading system 28.5. Namely, the single-crown blading 5 is initially subject to the loading pressures which are exerted from the filling chamber 27 via the nozzle 28. As a result of the residual fire gas discharged from chamber d, it is also subject to the counterpressure reduction explained above, which is brought into effect on the blading 5 via the openly communicating spaces or cross sections 31d, 32, d, 35 and 36.
What on the basis of the charging process of chamber d, on the basis of the first partial expansion of the partial amount of the total amount of fire gas generated in chamber a per deflagration, which is under the deflagration pressure as the initial voltage, and what for chamber b on the basis of the second partial expansion of the lower one The initial pressure partial amount of the total amount of fire gas generated per deflagration in chamber b, which was finally explained on the basis of chamber c which is simultaneously in the working cycle section of ignition and deflagration, i.e. which has completely closed valves, applies mutatis mutandis to the other working cycle sections of each of the four Chambers,
since in these the same processes only occur in cyclical exchange.
What has been done for four chambers can be implemented analogously for each number of chambers. The chambers do not need to be evenly distributed around the turbine housing in a circle, but other arrangements are also conceivable without departing from the basic arrangement prescribed by the invention.
In the exemplary embodiment, a propellant gas generator unit consisting of a Verpuffungsbrennkra.ftturbine and twist has been used to feed a consumer unit consisting of a Parson turbine. However, the invention is not restricted to this. In general, at least one propellant gas generator unit will be provided for feeding a consumer unit of the system, which drives the auxiliary machines of the system. However, several propellant generator units can also be provided, which operate in parallel.
arrangement for feeding a common consumer unit. These TreAgas generating units are then expediently designed in the same way so that, using the known modular principle, systems of any capacity can be created from units of the same type and therefore economical to manufacture. Conversely, several consumer units which absorb propellant gas and deliver power in the form of external work can be connected to a single propellant gas generator unit in the propellant gas path or to several of the same.
In all of these cases, it is useful to provide the only connection between propellant gas generator and propellant-driven Lei stungsturbinen lines that are not installed, that is, in which you did not, as was necessary in earlier systems of this type, arranged heat exchangers around the Propellant gases to extract the heat content in whole or in part and to transfer it to other work media such as steam, mercury or the like, in order to use the waste heat of the propellant gases in this way. So you get simple systems without the so-called heat economy, which has been the case until now. also part of the fact that the coolants of the deflagration combustion turbines were more or less withdrawn from the heat absorbed.
Even this utilization of the waste heat in the form of cooling heat caused very twisted arrangements, so that it corresponds to a substantial simplification if such systems can be manufactured and designed without all the facilities that were previously required to carry out such a heat management.