Treibmitelgenerator für Gasturbinenanlagen Die vorliegende Erfindung bezieht sieh auf einen Treibmittelgenerator für Gastur binenanlagen mit einer Viertakt-Brennkraft- nmaschine mit Ladepumpen zur Förderung von Ladeluft für die Einlassperiode der Brenn kraftmasehine und mindestens einer über den Lacdedruclk verdichtenden Pumpe zur Förde- rung von zusätzlicher Luft zwecks Kühlung der Abgase der Brennkraftmaschine und Spü lung der Zylinder. Im besonderen befasst sich die Erfindung mit der Steuerung der Lade- arnd der Zusatzluft.
Zweck der Erfindung ist, eine derartige Steuerung einfacher Bauart Herzustellen, die nur wenig Platz einnimmt und dazu fähig ist, die eine oder andere Luft art mit grosser Genauigkeit in gewünschten Zeitmomenten in die Zylinder der Brennkraft- mnaschine einzuführen.
Der erfindungsgemässe Treibmittelgenera tor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steue rung für die Lade- und die Zusatzluftzufuhr derart getroffen ist, dass für einen Zylinder ein und dasselbe Organ sowohl die Steuerung der Ladeluft, als auch diejenige der Zusatzluft bewirkt.
Zur Erzielung einer besonders einfachen und kompakten Bauart zur Förderung der Zusatzluft kann mindestens eine, durch die Kurbelwelle der Brennkraftmasehine direkt angetriebene Kolbenpumpe vorgesehen wer den, deren Saugräume mit den Druckräumen der Ladeluftpumpen in Verbindung stehen, und gleichzeitig kann die Druckleitung für die Zusatzluft ausserhalb des Brennkraft- maschinengestelles angeordnet sein und von dort zu den schieberartig ausgebildeten Steuer organen vor der Brennkraftmaschine führen.
Die Steuerung für die Abgase aus den Brennkraftzylindern und diejenige für die Zusatzluft zu diesen Zylindern können so aus gebildet sein, dass während der Auslassperi- oden vorerst nur ungekühlte Abgase aus den Brennkraftzylindern in die Gasturbine über treten und die Zusatzluft erst später,
vorerst als Kühlluft und nachher im Bereich der obern Totpunktstellumg der Brennkraftkolben zur Durchspülung der Brennkraftzylinder eingeführt wird und nachfolgend eine weitere Herabsetzung der Temperatur des Spülluft inhaltes der Zylinder durch Expansion vor der Öffnung der Einlassorgane für die Ladeluft erfolgt.
Mit dieser Steuerung wird bei Vier- takt-Brennkraftmaschinen eine vorerst grosse Ausnützung der Abgasenergie in der Turbine bei hoher Eintrittstemperatur derselben und eine nachfolgende, besonders wirksame Spü lung der Zylinderwände und Kühlung der Verbrennungsgase bezweckt. Dabei lässt sich die mittlere Temperatur der Gase in der Tur bine auf der maximal zulässigen Höhe halten, so dass der Wirkungsgrad ein besonders guter wird.
Damit der Druck der zulässigen Luft im richtigen Zeitpunkt vorhanden ist, können die Kurbeln der Zusatzluftpumpen zu den Kur beln der mit ihnen zusammenarbeitenden Brenikraftzylinder derart versetzt sein, dass die Zusatzluft vorwiegend während der Kühl und Spülperiode in den Brennkraftzylindern zugeführt wird.
Bei Brennkraftmaschinen mit zwei Zy linderreihen, bei denen je zwei in den beiden Reihen einander gegenüberliegende Zylinder mit in bezug auf ihre Arbeitsvorgänge gleiche Phasen besitzen, kann für je zwei in den bei den Reihen einander gegenüberliegende Brenn- kraftzylinder mindestens ein gemeinsames Organ für die Steuerung der Ladeluft und der Zusatzluft angeordnet sein. Die konstruktive Anordnung wird dadurch vereinfacht, und die Raumbedürfnisse der Anlage werden ver kleinert.
Um die Kräfte am Steuergestänge des Steuerorgans für die Lade- und die Zusatz luft möglichst herabzusetzen, können als Steuerorgane für Lade- und Zusatzluft Kol benschieber vorgesehen sein, welche in zwei zu einander koaxialen Führungen von verschie denen Durchmessern geführt sind, wobei die Durchmesser so gewählt sind, dass trotz des höheren Zusatzluftdruckes gegenüber dem tie feren Ladeluftdrucek annähernd Druekaus- gleich in bezug auf die auf den Schieber wir kenden Kräfte entsteht.
Der Treibmnittelgenerator kann ferner zweckmässig so ausgebildet sein, dass bei neben einander liegenden Brennkraftz5linderreihen die Zufuhr der Lade- und der Zusatzluft in der Mitte zwischen den Zylinderreihen durch ge- meinsanme Kanäle und die Ableitung der Ab gase durch getrennt voneinander je auf der Aussenseite der Brennkraftzylinder angeord nete Leitungen zur Grasturbine erfolgen. Diese Anordnung ermöglicht besonders bei in V- Form angeordneten Brennkraftzylindern eine besonders günstige Ausnützung des zur Un terbringung der Anlage verfügbaren Raumes.
Weiter kann der Generator zweckmässig derart ausgebildet werden, dass die Steuerung der die Lade- und die Zusatzluft steuernden Organe von der Steuervorrichtung für die Ein- und Auslassorgane der Brennkraft- masehine erfolgt. Der Zutritt der Ladeluft zu den Zylin dern der Brennkraftmasehine kann aus einem mindestens teilweise durch das Maschinen gestell selbst begrenzten Sammuelraum er folgen, wobei der den Sclhieber führende Teil und der Sammelraum derart ausgebildet sind, dass der Schieber seine Ladeluft direkt aus demn Sammelraum im Masehinengestell erhält. Schliesslich kann der Sammelraum für die Ladeluft mindestens eine Öffnung aufweisen, durch welche er mit denn Saugraum der Zu satzluftpumpe verbunden ist.
Bei diesenr An- ordnunig ergibt sich eine besonders kompakte Bauart des Generators.
Einige Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes sind in den Figuren dar gestellt. Gleiche Zahlen bzw. Buchstaben be zeichnen Bleiehe oder ähnliche Teile.
Fig.1 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Zylinder einer als Treibmuittelgenerator ausgebildeten Reihen-Brennkraftmasehine mit einer Kurbelwelle, quer zur Achse der letz teren und Fig. 2 einen gleich gelegten Schnitt durch eine solche, welche zwei Zylinderreihen und zwei Kurbelwellen aufweist.
Fig. 3 stellt partielle Vertikalselmitte in Rielhtung der Kurbelwelle der Brennkraft- nmasehine sowie Längsansichten derselben dar.
Fig. 4 zeigt Draufsiehten auf eine Seelh- zehnzylinder-Brennkraftmasehine mit zwei Kurbelwellen. Sie enthält auch einen Hori- zontalsehniitt durch die Zylinderdeekelpartie von vier Zylindern der Brenikraftmasehine.
In Fig.1 ist 1' ein Zylinder einer als Gasgenerator wirkenden V iertakt-Brennkraft- inaschine einfachwirkender Bauart, \?' sein Arbeitskolben und X seine Kolbenstange. Der Kolben der Brennkraftmasehine ist. über die Kolbenstange 3' mit dem Kolben 5' einer Ladepumpe verbunden, welelier gleichzeitig als Gleitbahnführun- einen Kreuzkopf 4' be sitzt.
Der Pumpenkolben 5' könnte auch als doppeltwirkender Stufenkolben ausgebildet sein, wobei der untere Kolbenteil als Kreuz kopf dient. 6 ist die Kurbelwelle der lIa- sehine und 7 die Schubstange zum Zylinder 1', durch welche die Kräfte von den Kolben ?' bzw. 5' auf die Kurbelwelle 6 übertragen wer den. 8 ist der obere Kurbelgehäuseteil der Maschine und 9 ihre Grundplatte. In dem Zylinder der Brennkraftmasehine ist minde stens ein Einlassorgan 10 und mindestens ein Auslassorgan 11 angeordnet, welche von der Steuerwelle 12 aus mittels Nocken 13, 13' und dem Steuergestänge 14, 14' betätigt werden.
In den Ladeluftpumpenzylinder 15' wird die Aufladeluft durch die Öffnung Wund die Saugklappen 17' mittels des Kolbens 5' ein gesaugt und durch die Klappen 18' in einen für mindestens einen Teil der Brennkraft- nmaschine gemeinsamen Sammelraum 19 hin- eingedrüekt. Sowohl die Brennkraftzylin- der 1', als auch ihre Zylinderdeckel 20', sowie die Ladepumpenzylinder 15' können, wie ge zeichnet, mit einer Wasserkühlung versehen sein. Sie könnten aber auch mit Luftkühlung arbeiten.
Ferner ist nun in den Sammelraum 19 vor demn Einlassorgan 10 pro Brennkraft- zylinder mindestens ein Kolbenschieber 21 ein gebaut, der sowohl den Übertritt der Ladeluft aus dem Raum 19 zum Einlassventil 10, und zwar mit seiner innern Steuerkante als auch denjenigen von Zusatzluft aus dem oben lie genden Raum 22 zum gleichen Einlassventil 10 steuert, und zwar mit der äussern Steuer- lkante. Dabei ist der Kolbenschieber 21 so aus gebildet, dass er eine innere zylindrische Füh rung 23 besitzt, deren innerer Durchmesser so gewählt und gegen den Raum 22 so abgedieh- tet ist,
dass trotz höherem Zusatzluftdruck im Raum 22 gegenüber dem tieferen Ladedruck im Raum 19 annähernd gleiche Kräfte von oben und von unten auf den Kolbenschieber 21, 23 ausgeübt werden. Zu diesem Zweck greift ein feststehendes Führungsstiiek 24, dessen Innenraum z. B. mit der Atmosphäre verbunden ist, von oben in den Kolbenschieber 21, 23 hinein. Am äussern Schieberteil 21 und am innern Sehieberteil 23 können Kolbenringe 25 bzw. 26 eingebaut sein. Die Steuerung des Kolbenschiebers 21 kann mittels Noekenschei- ben, wie dargestellt, z. B. ebenfalls von der Nockenwelle 12 der Brennkraftnmaschine aus erfolgen. Dafür können in bekannter Art dort ein Nocken und ein entsprechendes Steuerge stänge 27, 28 angeordnet sein.
32 ist die Abgasleitung zur Gasturbine. In Fig. 2, welche einen Vertikalschnitt einer Brennkraftmaschine mit zwei nebeneinander liegenden Zylinderreihen darstellt, sind die bei beiden Zylinderreihen gleichen oder ähn lichen Teile durch an den Hinweiszeichen oben bzw. unten angebrachte Indizes unterschieden, z. B. die Zylinder der Brennkraftmaschine mit 1' und 11, die Kolben mit 2' und 21, die Kol benstangen mit 3', 31, die Kreuzköpfe mit 4' und 41, die Ladeluftpumpenkolben mit 5' und 51 und so fort.
Der Sammelraum 19 ist zwischen den bei den Zylinderreihen angeordnet. In denselben strömt die Ladeluft durch die Klappen 18' und 181. Sie wird aus dem Raum 19 bei ge öffnetem Kolbenschieber 21 vor die Einlass ventile 10' bzw. 101 geleitet. Der Kolben schieber 21 ist ähnlich, wie in Fig. 1 darge stellt, ausgebildet.
Nur wird damit die Lade luft vom unterhalb her mittels des gleichen Schiebers 21 zu beiden Zylindern 1' und 11, das heisst ihren Einlassv entilen 10' und 101 meleitet. Es wird aber auch der Zutritt der Zusatzluft, welche durch die Rohrleitung 22 von oben erfolgt, durch die obere Kante des Kolbenschiebers 21, und zwar auch wieder für die beiden nebeneinanderliegenden Zylinder 1' und 11 bzw. die Einlassv entile 10' und<B>101</B> gemeinsam gesteuert.
Die beiden Kurbelwellen 6' und 61 sind mittels Zahnrädern gekuppelt, z. B. durch zwei Radpaare 29', 291 und 30' und<B>301.</B> Die beiden Kurbelwellen drehen dann mit. gleicher Drehzahl. Dabei wird vorteilhafterweise, wie aus Fig. 2 ersichtlich, ein durch die Zahnrad kupplung sich ergebender, gegenteiliger Dreh sinn ihrer Kurbelwellen erzeugt. Die Kurbeln von zwei in den beiden Reihen gegenüberlie genden Brennkraftzylindern sind dabei so gestellt und die Zündfolgen so vorgesehen, dass in diesen Zylindern gleichzeitig die gleichen Vorgänge wie Ansaugen, Kompression, Ver brennung, Expansion usw. stattfinden.
Die seitlichen Drücke auf die Kreuzköpfe 4' und 41 dieser Brennkraftzylinder heben sich dann in bezug auf das Maschinengestell S auf. Es entstehen deshalb keine Horizontalkräfte auf dlas MNaschinengestell. Dies ist besonders für den Einbau einer solchen Maschine in ein Fahrzeug sehr wielxtig.
V on den 'Wellen der Zahnräder 30' und 301 können mit Vorteil Hilfsaggregate, wie Kühlwasserpumpen, Elektrogeneratoren, Ven tilatoren usw. angetrieben werden. Dabei ist es zveeknmäissig diesen Wellen curch geeignete Walhl ihrer Zahnraddurehmesser höhere Dreh zahlen als der Brennkraftmaschine zu erteilen.
Die von den Ladeluftpumpen in den Raum 19 geförderte Ladeluft kann, ausser zur La dung der Brennkraftzylinder 1', 11 usw., eben falls auclh als Ansaugelxft für die Zusatzluft pumpe dienen, so dass die Ladepumpe zugleich die erste Stufe der Zusatzluftpumpe bildet. Wird diese Zusatzluftpumpe an einem Stirn ende der Brennkraftnmasehine angeordnet, so kann der übertritt der Ladeluft aus dem Sam nmelranmn 19 in die Zusatzluftpumpe durclh in der Stixnseite des Maschinengestelles selbst angeordnete Öffnungen 31 erfolgen, so dass ausserhalb der Brennkraftxnashine liegende Luftleitungen entbehrt werden können. In Fig. 3, rechts, erkennt man den Zylinder 1', den Kolben ' und die Kolbenstange 3' eines Brennkraftzylinders.
Man sielet dort auelh das hier zentral angeordnete Brennstoff ventil 53'; ferner den Ladeluftpumpenkolben 5' und seinen Kreuzlopf 4l', sowie die Schub stange 7' und die Kurbelwelle 6. Neben demn geschnittenen Zylinder 1' sieht man beim Zy linder 1'' einen Sehnitt durch die Zusatzluft leitung 22, sowie durch die Schieber 21 bzw. 21'. las sind hier pro Zylinder zwei in der Achsricltung der Maschine hintereinander- liegrende Selhieber 21 bzw. 21' angeordnet.
Handelt es sich um eine Maschine naelh Felg. 2, so kann jeder dieser zwei Kolben- sehieber zwei in den beiden Reihen gegenüber liegend angeordnete Brennkraftzylinder l' und 11 bedienen. Die zwei Kolbenschieber 21 und 2i' bedienen dann also zwei Brennkraft- zylinder. Beim Zylinder 1'' sind die Kolbenschieber 21 und 21' in einer gehobenen Lage gezeich net, so dass die Ladeluft von unten aus demn Raum 19 zu den nicht gezeichneten Einlalss- ventilen 10' und 101 übertreten kann.
Beine Brennkraftzylinder 1''' sind die Kolben- selhieber 21 und 21' in einer tieferen Lage ge- zeiehnet, so dass Zusatzluft aus der Leitung 22 nach unten durch die Führung 24 und 24' zxu den Einlassventilen 10' und 101 gelangt.
Die Fig. 4 stellt die Draufsieht auf eine zweireihige Gasgeneratornmsehine finit selh- zehn Brennkraftzylindern dar, von welclen je aclht in einer Reihe angeordnet sind und auf eine besondere Kurbelwelle treiben. 1', 1'', 1''', 1'''', 1''''', 1'''''', 1''''''' und 1'''''''' sind die Zy linder einer Reihe und 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 1s die Zylinder der zweiten Reihe.
An dem einen Stirnende der Brenmkraft- nmaschine sind vier Zusatzluftpumpen 33 ange baut. Jede besitzt zwei, vorzugsweise doppelt wirkende, in Tandembauart übereinander an geordnete Kolbenverdichter, wobei zwei solche Pumpen in einer Reihe angeordnet sind und von der Kurbelwelle einer Brexnnkraftmasehi- nenhälfte angetrieben werden. Ihre Ansaug luft erhalten diese Zusatzpumpenzylinder, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, aus demn Raum 19 der Brennkraftmasehine mittels der Öffnun gen 31. Ihre Förderluft geben sie durelh die Leitung 22 an die Kolbensehieber 21 und 21' ab. Aus dem Horizontalschnitt durch die zwei hinten gelegenen Zylinder 17, 1s bzw.
1''''''', 1'''''''' bzw. durelh die Zylinderdeckel 2Og, 20''l'll'' sieht man, wie die Ladeluft und auch die Zusatzluft durch die Kolbenselhieber 21 und 21' zu den Einlassventilen 10' und 101 gelangt. Von diesen Ventilen, wie aueh von den Auslassventilen 11' und 111, sind je zwei Stüek pro Brennlkraftzylinder vorgesehen. Die Auslassventile 11' und 111 ;eben die Abgase beispielsweise durell die zwei Saminelleitungell 32 und 321 an die nicht gezeichnete Gas turbine ab.
Die Ableitung der Ab@-ase zur Gasturbine wird vorteilhaft durch getrennt voneinander, je auf der Aussenseite der Brennkraftzylinder angeordnete Leitungen vorgenommen.