-
Freiflugkolbenverdichter als Drucklufterzeuger für eine Luftturbine
Die Erfindung bezieht sich auf einen Freiflugkolbenverdichter als Drucklufterzeuger
für eine Luftturbine, der aus einem einheitlichen Verdichter- und Verbrennungszylinder
und einem frei fliegenden Kolben besteht, wobei Luft aus dem Verdichterzylin.der
bei einem bestimmten Druck durch Ventile der Turbine zugeleitet wird.
-
Bei Maschinen dieser Art ist einerseits bereits vorgeschlagen worden,
einen leichten Kolben zu verwenden, und mit hohen Kolbengeschwind igkeiten zu arbeiten;
in der zugehörigen Einrichtung ist jedoch keine Kolbendichtung und keine Steuerung
für den Auslaß der verdichteten Luft vorgesehen, so daß sich damit kein hoher Wirkungsgrad
erzielen läßt. Ferner ist ein Vorschlag für die konstruktive Ausbildung eines leichten,
gegen die Zylinderwandüng gedichteten liolbens bekanntgeworden, mit dem Geschwindig=
keiten bis zu 60 m/s erzielt werden sollen; jedoch ist dabei über die weitere Konstruktion
des Freiflugkolbenverdichters, insbesondere über die Zylinderlänge nichts ausgesagt.
-
Andererseits ist es bereits bekannt, bei Freiflugkolbenverdichtern
einen langen Zylinderraum anzuordnen, jedoch nur in Verbindung mit einem schweren,
langsam laufenden Kolben. Die langen Laufzeiten des Kolbens und seine lange Verweilzeit
im oberen Totpunkt bedingen jedoch hohe thermische Verluste; infelge der Wärmeahleitung
aus dem Gemisch.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Freiflugkolb.enverdichte,r
der eingangs beschriebenen Bauart zu schaffen, der neben einem hohen thermischen
Wirkungsgrad einen hohen Gütegrad aufweist. Hierzu ist eine hohe I,#'-o,lbengeschwindigkeit
erforderlich, und es ist notwendig, d@aß der Kolben gegen die Zylinderwand abgedichtet
und daß ein für die Entspannung der Brenngase ausreichend langer Zylinderraum. angeordnet
ist.
-
Demnach enthält der Freiflugkolbenverdichter, der aus einem einheitlichen
Vordichter- und Verbrennungszylin,der mit einem frei fliegenden Kolben besteht,
wobei Luft aus dem Verdichterzylinder bei einem bestimmten Druck durch Ventile einer
Turbine zugeleitet wird, erfindungsgemäß als wesentliche Merkma?-e, daß dem Kolben,
der mit gegen den Zylinder dichtenden Bauteilen (Kolbenringen) versehen ist, durch
den Druck der gasförmigen Mittel eine Geschwi:ndigkeit von mindestens 30 m/s, vorzugsweise
von 50 m/s, erteilt wird und daß die Länge des Zylinders größer ist, als der Dehnung
der Verbrennum,gsgase auf den Gaswechseld,ruck entspricht.
-
Die Kombination der beiden für sich bekannten Merkmale ergibt überraschend
vorteilhafte Wirkungen.. Die Vereinigung einer hohen Kolbengeschwindigkeit mit hohen,
Verbrennungsdrücken und weitgehender Ausnutzung der Expansionsenergie der Verbrennungsgase
in einem langen Zylinderraum ergibt einerseits einen hohen thermischen Wirkungsgrad
und vermeidet andererseits bedeutende thermische Verluste durch Wärmeableitung aus
dem Gemisch., so da.ß auch der Gütegrad der Einrichtung überraschen hoch ist. Die,
nur kurze Zeit dauernde Einwirkung der hocherhitzten Verbrennungsgase auf die Bauteile
und die lange Zeit, die zur Spülung des Zylinders zur Verfügung steht, bedingt nur
mäßige Erwärmungen des Zylinderkopfes und des Kolbens. Der Kolben kann deshalb,
mit einem geringen Gewicht ausgeführt «erden. Dadurch wird die Ver?inigung hoher
Verbrennungsdrücke und großer Kolbengeschwindigkeiten praktisch anwendbar. Die Dehnung
der Verbrennungsgase auf einen unter dem Gaswe@chseldruck liegenden Druck gestattet
auch eine vorteilhafte Ausnutzung der entstehenden Druckdifferenz zur Steuerung
der Gasgin- und -auslaßventile. Als Folge der Verdichtung großer Luftmengen auf
mäßige Druck- und Temperaturwerte und des Auftretens hoher Drücke bei der Verbrennung
ergibt sich eine; günstige Ausnutzung der Abgaswärme der Verbrennungsgase. Dadurch
sind thermische Wirkungsgrade in Höhe von z. B. 75 % erreichbar, die unter Berücksichtigung
der unvermeidlichen, im einzelnen auftretenden Verluste überraschend holie Gesamtwirkungsgrade
der Energieerzeugung ergeben. Dabei liegen die mittlerenTemperatu.ren in einem für
Kolbenmaschinen und Gasturbinen mäßigen Bereich, also in einem Gebiet thermischer
und mechanischer Beanspruchungen, wie es für Maschinen mit sicheren Betriebsverhältnissen
und langen Betriebszeiten gefordert wird.
-
Aus der Anwendung hoher Kolbengeschwindigkeiten in einem langen Zylinderraum
ergeben sich verhältnismäßig große Hubstrecken des frei fliegenden Kolbens. Dabei
können vorteilhaft verhältnismäßig große Luftmengen,
zweckmäßig
vcn mehr als dem doppelten Gewicht der Verhren.nungsluftmenge, der Turbine zugeführt
werden.
-
Infolge der Anordnung einer großen Länge des Verdichterzylinders kann
ferner der Höchstdruck der geförderten Verdichterluft kleiner sein als ein Drittel,
vorzugsweise kleiner als ein Fünftel, des Höchstdrucks der Verbrennungsgase. Während
beispielsweise die höchsten Verbrennungsdrücke 100 bis, 200 ata betragen, sind bei
der Luftverdichtung Druckwerte von z. B. 30 oder 20 ata und weniger vorteilhaft.
Dabei tritt eine Temperatur der Verdichterluft in der Größenordnung von: 400' C
und weniger auf, die einen geringen Bauaufwand für die, Luftturbine gestattet.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben
sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispiolen an Hand der Fig. 1 bis 4.
-
Fig. 1 zeigt einen Verdichter- .und. Verbrennungszylinder im Längsschnitt
und. dazu die Luftturbine, die mit einem elektrischen Stromerzeuger gekuppelt ist.
-
Fig. 2 veranschaulicht in Diagrammform den Verlauf der im Zylinder
auftretenden Drücke, gezeichnet über der Strecke des Kolbenweges. Ferner ist in
Fig.2 auch. der Verlauf der Kolbengeschwindigkeiten beim Lauf des Kolbens zum oberen
Totpunkt und zum unteren Totpunkt angegeben. Sodann gilt die Fig. 2 den Verlauf
der Zeit an, die der Kolben für seine Bewegungen benötigt.
-
Fig. 3 gibt das Diagramm der Bewegung eines der verwendeten Gas- und
Luftventile wieder, wobei die Kurve des Ventilhubs und die Kurve der das Ventil
steuernden Gasdruckkraft über der Zeit aufgetragen sind.
-
Fig. 4 kennzeichnet eine besonders vorteilhafte Ausnutzung der Abgase
der Verbrennung durch Überführung von Wärme der Abgase in die Luft der Turbine.
-
In der Fig. 1 ist der einheitliche Verdichter- und Verlrennungszylinder
mit 1 bezeichnet und der frei fliegende Kolben mit 2. Der in Fig. 1 rechts liegende
Zylinderteil dient im wesentlichen zur Aufnahme der Verbrennungsluft, ihrer Vorverdiclrtung
durch den Kolben 2 und der Entspannung derVerbrennungsgase. Der irr Fi;g. 1 links
liegende Zylinderteil dient im wesentlichen zur Aufnahme der für den Betrieb der
Luftturbine 3 zu verdichtenden Luft. Der elektrische Stromerzeuger 4 ist mit der
Luftturbine 3 unmittelbar gekuppelt.
-
Der Kolben 2 ist mit einer auf einer Führungsstange 6 gleitenden Führungshülse
5 versehen, an deren Enden verhältnismäßig kurze Gleitstrecken 7 und 8 geringeren
Spiels gegen die Führungsstange 6 als im übrigen Teil der Hülsenbohrung angeordnet
sind. Durch diese Anordnung wird eine gurte Kolbenführung und eine geringe Gleitkraft
bei hohen Kolbengeschwindigkeiten, erreicht.
-
An seinem Außenmantel 9 trägt der Kolben einige Kolbenringe. Die Führungsstange
6 ist in dem Zylinder 1 um, einen ,geringen Betrag axial verschieblich gelagert,
Die beiden Stangenenden 10 und 11 haben gegen, die die axiale Verschiebung begrenzenden
Widerlager in den, Zylinderböden 12 und 13, deren Anlageflächen. in Richtung zur
Zylindermitte hin liegen., ein ausreichendes Spiel, so daß auch bei den größten
Wärmedehnungen, des Zylinders 1 gegen die Stange 6 noch keine Anlage der Stangenköpfe
an die Widerlager eintritt. Durch die dargestellte Lagerung der Stange 6 wird erreicht,
daß die Stange 6 ausschließlich Zugspannungen erfährt, so daß sie nicht durch ungünstige
Knickkräfte beansprucht wird. Es ist auch vorteilhaft, die Stange 6 mit einem Trägheitsmonrent
und einem Materialquerschnitt auszuführen, die eine transversale Schwingung mit
einer Eigenschwingungszeit ergeben, welche außerhalb der Zeit eine. Kolbenhubs und
deren ganzzahligen Vielfachen und deren umgekehrten ganzzahligen Vielfachen liegt.
Dadurch wird das Entstehen von transversalen Stangenschwingungen vermieden-Da der
Zylinder l durch die Federung 14 in seiner Achsenrichtung elastisch gehalten ist,
so führt er eine schwingende Bewegurig im Gegenlauf zu dein Kolben 2 aus. Der Hub
dieser schwingenden Bewegung ist im Verhältnis der Massen von ILolben2 und Zylinder
1 kleiner als die Laufstrecke des Kolbens. Der Kolben 2 ist während seiner Bewegung
nach links, also in Richtung zum Verdichterende des Zylinders gezeichnet. Diese
Kolbenbewegung veranschaulicht der Pfeil 15.
`Fenn im weiteren. Verlauf der
Kolbenbewegung die Luftverdichtung einen bestimmten Druckwert erreicht hat, werdcii
die Luftventile 16 durch. einen geringen Überdruck geöffnet. und es wird ein Teil
der verdichteten Luft in die Sammelleitung 17 und die Rohre 18 gedrückt. Gleichzeitig
wird während. dieser Bewegung des Kolbens zu seinem Umkehrpunkt am Verdichterende,
dem sogenan.nten unteren Totpunkt (UT), hin die Entspannung des Verbrennungsgases
erreicht, und zwar tritt bereits vor Erreichung des. UT eine Dehnung der Verbrennungsgase
unter den mittleren Druck beim Gaswechselvorgang, z. B. den Druck der Atmosphäre,
ein. Auf Grund dieses Unterdrucks öffnen sich die Auslaßven.tile für die Verbrennungsgase
19 und die Lufteinlaßventile 20 selbsttätig. Den Ventilen 20 wird Luft durch die
Leitung 21, und zwar in der Regel mit geringem Überdruck, zugeführt. Während die
Lufteinlaßventile 20 einfache Rückschlagventile sind, besitzen die Gasauslaßventile
19 eine zusätzliche Einrichtung, die sie ihren besonderen Betriebsbedingungen anpaßt.
-
Der Teller de-" Ventils 19 ist durch einen Ventilschaft mit dein Zusatzkolben
22 verbunden, der in einem Zylinder 23 geführt wird. Der Zusa.tzkolben.22 hat einen
etwas größeren Querschnitt als der Teller des Ventils. An dein Kolben 22 greift
außerdem eine Sch;rauben.feder an, die andererseits an dem Boden des Zylinders 23
beies:tigt ist. Ferner ist zwischen dem Verbrennungszylinder 1 und dem Zylinder
23 des Zusatzkolbens eine Verbindungsleitung 24 angeordnet. Die -.NTünd,ungsstelle
der Leitung 24 am Zylinder 23 ist so gelegt, däß die Mündung beim Anheben des Ventiltellers
nach kurzem Ventilhub überlaufen wird. Dieses Anheben tritt bei Unterdruck im Zylinder
1 ein.. Es gelangt dabei der Unterdruck dhtrch die Leitung 24 in den Zylinder 23,
und infolge des größeren Querschnitts des Kolbens 22 gegenüber dem des Ventiltellers
ergibt sich eine in Öffnungsrichtung weisende Gaskraft. Somit geht das Ventil in
Öffnungsbewegung auf Grund einer über nur verhältnismäßig kurze Zeit hin wirkenden
Druckdifferenz, d.li. einem geringeren Druck innerhalb als außerhalb des Zvlinders
1. Nachdem der Kolben 22 des Gasauslaßventils 19 die Mündung der Leitung 24 in dem
Zylinder 23 überlaufen hat, wird die weitere Öffnungsbewegung des Ventils 19 durch
einen sich allmählich bildenden geringen Überdruck der Gase im Zylinder 1 bewirkt.
Dieser Ül>erdruck ergibt sich nach Umkehr des Kolbens 2 aus seinem UT, d.li. hei
seinem nunmehr einsetzenden Lauf nach rechts heim. Dabei drückt der Kolben 2 das
Restgas der Verbrennung, welches sich in diem von ihm bestrichenen Zylinderraum
befindet, durch die Auslaßveti@tile 19 aus dem Zylinder. Zugleich tritt
frische
Verbrennungsluft weiterhin unter geringem Überdruck durch die Ventile 20 in den
Zylinderraum ein und verdrängt das Restgas der Verbrennung aus dem Teil des Zylinders,
der zwischen den. Ventilen 20 und 19 liegt.
-
Wenn der Kolben 2 bei seinem Lauf vom UT nach rechts hin bis zu den
VentiLen 19 gelangt ist, ist alles Restgas verdrängt und der vor dem Kolben befindliche
Teil des Zylinderraumes mit frischer Verbrennungsluft gefüllt.
-
Die Gasauslaßven.tile können auch in Richtung zum Zylinderinnern hin
öffnend ausgeführt sein. Sie benötigen dann in der Regel keine Zusatzkolben; ihre
Federung ist dann mit der bewegten Ventilmasse derart abzustimmen, da.ß die infolge
der Gasdruckdifferenz eintretende Öffnungs- und Schließbewegung abgeschlossen ist,
wenn der Kolben den Gasauslaß bei seiner Rückkehr überläuft.
-
Die Anordnung selbsttätig wirkender, durch Druckunterschiede gesteuerter
Ventile! ist in der Regel besonders vorteilhaft, weil sich diese leicht auf die
verschiedenen Betriebsverhältnisse abstimmen lassen. Doch soll die dargestellte
Anordnung keine allgemein anzuwendende Regel wiedergeben, vielmehr kann, es auch
vorteilhaft sein, die Ventile oder sonstige zusätzliche, bewegliche Bauelemente
beispielsweise vom den schwingenden Zylinderteilen oder von, gesondert angecrdnete.n
beweglichen Bauteilen zu steuern.
-
Auf der Verdichterseite des Zylinders war der Kolben 2 im U T zur
Ruhe gekommen, als die dem Kolben vorher erteilte kinetische Energie durch Luftverdichtung
und Luftverdrängung aufgezehrt war. Die in dem Verdichterzylinder verbliebene Druckluft
hat dann noch einen Energieinhalt, der ausreicht., um dem Kolben 2 die zur Verdichtung
einer neuen Ladung Verbrennungsluft erforderliche kinetische Energie. zu erteilen.
Die Auslaßventile 16 schließen sich im UT bei geringem Druckabfall im Verdichterzylinder.
Nach Entspannung des Restes der Verdichterluft im linken Zylinderteil öffnen sich
die Lufteinlaßventile 25, die als Rückschlagventile ausgebildet sind'. Diesen wird
frischte Luft durch die Leitung 26 zugeführt.
-
Wenn der Kolben 2 die Ventile 19 überlaufen hat, sind die Ventile
20 geschlossen, und, es schließen sich sodann auch die Ventile 19. Ihr völliger
Abschluß ist erreicht, bevor sich der, Kolben 2 in seiner äußersten Lage im rechten.
Zylinderteil (0T) befindet. Im 0T des Kolbens ist der übrige gesamte Zylinderinhalt,
vom linken Zylinderende bis zum Kolben hin, mit Luft gefüllt, und die Lufteinlaßven.tile
25 sind geschlossen.
-
Im Laufe der Verdichtung der Verbrennungsluft, d. h. während der Kolben
2 von dein Ventilen 19 zum 0T hin liäurft, bewegt sich der Zylinder 1 nach links
hin. Er kommt im 0T des Kolbens kurze Zeit zur Ruhe und sodann zur Diese Zyl_inderbewegung
wird zur Einspritzung des Brennstoffs benutzt.
-
Die Brennstoffpumpe 27 besteht aus einem im Normalfall feststehenden:
Kalben 28, der eine Bohrung als Brennstoffleitung enthält. Dieser Bohrung wird der
Brennstoff durch. das Rohr 29 zugeführt. Der Kolben ist durch drei Arme mit dem
Ring 30 verbunden, der mit einem Außengewinde in den. mit entsprechendem Innengewinde
versehenen Ring 31 greift. Der Ring 30 ist am Verdrehen gehindert durch die Rippen
32, welche den Pumpenzylinder 33 mit dem Zylinderboden 12 verbinden. Der Ring 31
hat an seinem äußeren. Durchmesser eine Verzahnung, in die das Regelrad 34 eingreift.
Das Rad 34 ist durch das Handrad 35 zu drehen. Der Ring 31 ist in einem ruhenden
Ringkörper 36 drehbar, aber seitlich gehalten. gelagert. Durch die Anordnung wird
erreicht, daß sich bei Drehung des Handrades 35 der Kolben, 28
in axialer
Richtung verstellt.
-
Am Ende dies Kolbens 28 ist ein Kugelventil angeordnet, welches die
Brennstoffleitung bei Förderhub abschließt. Das Kolbenende ist durch zwei Führungsrippen
verlängert, die in den Zylinder 33 hineinragen. Der Zylinder 33 hat an seinem offenen
Ende, in welches der Kolben 28 nur zeitweise hineinragt, eine Ausdrehung auf einen
größeren Durchmesser, und in diesen. Raum mündet eine Bohrung als Verbindung zur
Brennstoffleitung. Tritt der Kolben 28 von der- Kante der Ausdrehung in den Zylinder
33 ein, dann verdrängt er bei seinem Hub, eine entsprechende Brennstoffmenge. Diese
strömt durch die Leitungen 37 zu den Düsen 38 in dem Boden 12 des Zylinders 1. Die
Düsen 38 ergeben einen Kranz von Brennstoffstrahlen, der die Verbrennungsluft im
Zylinder 1 durchsetzt.
-
Bei der Bewegung des Zylinders 1 nach rechts saugt sich Brennstoff
in den Zylinder 33 durch das Kugelventil ein. Die axia.l@e Stellung des Kolbens
28, die durch das Handrad 35 regelbar ist, ergibt einen größeren oder kleineren
Förderhub@ und damit eine Regelung der eingespritzten Brennstoffmenge, und. der
Leistung d!er -Maschine.
-
Die Einrichtung zur Brennstofförderung ist in Fig. 1 in einem größeren
Maßstab wiedergegeben, um die Einzelheiten anschaulich zu machen.
-
Die Einspritzung des Brennstoffs vollzieht sich. bei der dargestellten
Einrichtung in so hoch verdichtete Verbrennungsluft, daß sich. der Brennstoff darin
entzündet. Dabei kann die Einführung des Brennstoffs erfahrungsgemäß auch schon
vor dem Erreichen der durch Luftverdichtung erzielten Entzündungstemperatur erfolgen.
Es wird sodann, eine besonders günstige Durch,mischwng vom Brennstoff und Luft und,
ein vorteilhaft hoher Verbrennungsdruck erreicht.
-
Die Einleitung einer Zündung kann auch unter anderen -\Terdichtungsverb.ältnissen
und durch besond.ere Zündmittel., wie Funken- oder Glühzünder, Vorkammern ui. dgl.,
erfolgen.
-
Beim Rücklauf des Kolbens 2 vorm 0T nach links verdichtet der Kalben
die zwischen ihm und dem linken Zylinderende eingeschlossene Luft. Der entsprechende
Überdruck hält das Venti 19 infolge der getroffenen Anordnung des Zusatzkolbens
22 geschlossen.
-
Im mittleren Teil der Zylinderlänge sind in axialem Abstand voneinander
Öffnungen 39 und 41 in der Zylinderwand angeordnet, die durch die Leitungen 40 miteinander
in Verbindung stehen. Wenn. der Kolben 2 die Mündungen 39 überlaufen. hat, tritt
durch, die Mündungen 41 kurzzeitig verdichtete Luft aus dem Verdichterteil des Zylinders
in den Verbrennungsteil über. An der Stelle, der Mündungen 39 und, 41 besitzt die
Verdichterluft einen etwas höh°ren. Druck als das Verbrennungsgas, doch ist die
Temperatur, der Luft wesentlich niedriger als die des Gases. Somit lagert sich infolge
der getroffenen Anordnung eine kühlere Luftschicht vor den Kolbenboden an der Seite
des Verbrennungszylinders. Da das Verbrennungsgas in diesem Z,ustan.d seiner Ausdehnung
keine nennenswerte Strahlungswärme auszusenden vermag, so ergibt sich mit der Vorlagerung
kühleirer Luft eine- wirksame Kühlung des Kolbens, und zwar ohne wesentlichen Energieaufwand.
Die Mündungen 39 und 40 können anstatt an der Zylinderwand auch in entsprechendem
Abstand an der Führungsstange 6 angeordnet sein.
Bei Erreichen der
in Fig. 1 dargestellten Lage des Kolbens 2 läuft der im einzelnen beschriebene Prozeß
erneut ab.
-
Es ist vorteilhaft, die Steuerorgane, für dein Gaswechsel im Zylinder
1, insbescnd.ere die Gasauslaßven:tile 19 mit verhältnismäßig kleinen Ventiltellern,
in, großer Zahl am Zylinderumfang anzuordnen. In der Regel ist auch mehr als eine
Ventilreihe auf dem Zylinderumfang vorzusehen. Dadurch wird der Lauf der Kolbenringe
oder der sonstigen Dichtungselemente begünstigt und eine gleichmäßige Wärmebeanspruchung
des Zylinders bei guter Gasführung erreicht.
-
Vorteilhaft ist es auch, die Gasauslaßventile 19 zu kühlen. Zu diesem
Zweck wird nach Fig. 1 Kühlluft durch ein Rohr 50 zugeleitet, durch ein Ringrohr
auf die Ventile verteilt und um die Zylinder 23 geführt. Die Kühlluft gelangt in
konische Stutzern 51 und sodann, in. offenem Strom auf die Teller der Ventil-; 19.
Von dort strömt sie nach seitlicher Ablenkung in eine Auffangrinne 52 ab. In dieser
sammelt sich die Luft und wird durch das Rohr 53 abgeleitet. Bei der Ausströmung
d--,-r Restgase der Verbrennung aus dem Ventil 19 wird die Kühlung des an. sich
schwachen Kühlluftstromes zwar u.nterb,rochen, doch ergibt die zwischenzieitliche
Kühlung eine wesentliche Ernied;rigung der mittleren Temperatur der Bauteile der
Ventile 19 und eine Steigerung- der Betriebssicherheit der Ventile.
-
In der Fig. ? ist zur Veranschaulichung der Vorgänge in dem Verdichter-
und Verbrennungszylinder der Verlauf der Drücke, mit p bezeichnet, wiedergegeben.
Für den Koilbenlauf vom UT zum 07' sind die Linien ausgezogen, für den Lauf vom
0T zum UT unterbrochen gezeichnet. Die Zylinderlänge gibt die mit N bezeichnete
Linie wieder.
-
Auf der Seite des Verbrennungszylinders geht der Gasdruck von. einem
geringen Druckwert, dem Punkt 56, im UT leicht ansteigend und sodann wieder fallend,
zum Punkt 57. Bei Punkt 57 beginnt die Vorverdichtung der Verbrennungsluft, die
im Punkt 58, im 0T, beendet ist. Unter Gleichraumverbrennung führt dort der Druck
auf den Punkt 59.
-
Auf der Seite des Verdichterzylind'ers geht der Druck im (`T van dein
Wert des Punkte: 60 unter Dehnung der Luft ungcfähi auf Atmosphärendruck bei Punkt
61. Von. da. ab bleibt der Druck nahezu konstant bis zum Punkt 62 im 0T.
-
Im Bereich kleiner Druckwerte ist der Druckverlauf zwecks besseres
Veranschaulichung in vergrößertem Druckmaßstab wiedergegeben.
-
Die Geschwindigkeit z, des Kolbens verläuft vom L'T bis zum 0T nach
der mit 63 bezeichneten Linie. Der zeitliche Verlauf' t der Kolbenbewegung vom UT
zum 0T ist durch die Kurve 64 wiedergegeben. Von dem Höchstdruck der Verbrennung,
dem Punkt 59, fällt der Druck der Gase nach der vom Punkt 59 zum Punkt 65 führenden
Expansionskurve. Der Druck fällt sodann weiterhin etwas ab und führt zum Punkt 56.
-
An der Verdichterseite des Kolbens steigt der Luftdruck gleichzeitig
vom Punkt 62 aus zum Punkt 66, an welchem der Ausschub der verdichteten Luft beginnt.
Dieser Ausschub ist bei Punkt 60 beendet.
-
Der entsprechende Verlauf der Kolbengeschwindigkeit vollzieht sich
nach der Kurve; 67.
-
Der zeitliche Verlauf der Kolbenbewegung ist durch die Kurve 68 veranschaulicht.
-
Bei Regelung der Turbine auf Teillast wird durch kleinere Brennstoffgabe
in, den Verbrennungszylinder eine geringere Kelbengeschwindigkeit erreicht, als
sie durch die Kurve 67 wiedergegeben ist. Der Endpunkt der Expansion der
Verbrennungsgase geht vom Punkt 65 mehr zum 0T hin. Es ist dabei zweckmäßig, die
Verdichterluft mit geringerem Druck als bei Normallast (Punkt 66) auf die
Turbine zu entlassen. Der Kolbenhub verkleinert sich etwas, jethoch ändert sich
die Laufzeit des Kolbens nicht erheblich, weil zugleich eine kleinere Kolbengeschwindigkeit
auftritt. Bei einer Regelung auf `Peillast, und zwar bis zum Leerlauf, bleibt der
Druckverlauf zu einem geringen Unterdruck hin, wie er in Fi.g. 2 durch die Linie
vom Punkt 65 zum Punkt 56 dargestellt ist, im wesentlichen bestehen. Damit besteht
auch bei Regelung der Maschine die gekennzeicli:nete Funktion des in Fig. 1 flargestellten
Gasauslaßveritils 19.
-
Die Bewegungskurve eines Ventils ist in Fig. 3 des nähren dargestellt.
Dabei ist der Hut> h eines Ventiltellers über der Zeit t aufgetragen. Mit unterbrochener
Linie ist der Verlauf der auf das Ventil wirkenden Druckdifferenz p der Gase aufgetragen.
Die -fasse und die Federung des -,#"entils sind dabei derart auf die Zeit der Druckwirkung
abgestellt, daß die Eigenschwingungszahl des Ventils dreimal größer ist als die
Schwingungszahl der erregenden Kraft, die aus der Änderung des Gasdrucks folgt.
Dadurch wird erreicht, sofern eine harmonische Änderung des Gasdrucks vorliegt,
daß die bewegte Ventilmasse mit der Geschwindigkeit Null in dem Zeitpunkt in ihre
Ausgangslage zurückkehrt, bei welchem der Gasdruck seinen Anfangswert wieder erreicht.
Das gleiche ist der 1#a11, wenn die, Eigenschwingungszahl ein größeres ungerades
Vielfaches beträgt als Drei, also Fünf, Sieben usw.. doch ist das Dreifache besonders
günstig. Bei den praktisch vorliegenden Abweichungen des Verlaufs der Gasdruckkraft
von einem harmonischen Verlauf ändert sich die Z7entilkun-e etwas, jedoch ist der
technisch wesentliche Teil der Kurve, die Annäherung an die Ausgangslage bei Rücklauf,
erfahrungsgemäß durch dieWalil einergeringenAbweichung der Eigenschwingungszahl
des Ventilb vom ungeraden Vielfachen der Schwingungszahl der erregenden Gasdruckkraft
zu erreichen. Deshalb ist es technisch vorteilhaft, die Ventile mit einer Eigenschwingungszahl
im Bereich des ungeraden Vielfachen der Sclin#iiigungszahd der das Ventil steuernden
Gasdruekkraft auszuführen.
-
Zur Inbetriebsetzung der Einrichtung nach Fig. 1 wird der Kolben 2
in seins ('T-Lage gebracht, das Rohrsystem vor der Luftturbine bis zum Absperrventil
69 mit Druckluft gefüllt und der Kolben durch Druckluft vorgeschleudert. Dazu ist
der Zylinder 1 zweckmäßig in die Lage zu bringen, die der Stellung des Kolbens 2
in seiner UT-Lage bei Normalbetrieb entspricht. Die technischen -Mittel für diese
Inbetriebsetzung sind in der Fig. 1 nicht dargestellt, da sie an sich bekannt oder
nach dein Stande der Technik ohne weiteres anzuordnen sind. Vor einer Inbetriebsetzung
ist die Einrichtung zweckmäßig in bekannter Weise vorzuwärmen., insbesondere. um
eine normale Gleitreibung des Kolbens zu erhalten.
-
Um die Wärme der Abgase aus dem Verbrennungszylinder wirkungsvoll
auszunutzen, ist es vorteilh:_ft, den Gaswechsel im Zylinder 1, d. h. den Wechsel
der Verbrennungsluft und den Ersatz der geförderten Verdichterluft, bei einem höheren
mittleren Druck als dem Druck der Atmosphäre vorzunehmen. Dabei sind zweckmäßig
die gesamten Abgase der Verbrennung mit der Luft, welche die Turbine durchströmt,
in ':-Mischung zu bringen, um die Wärme der Abgase auf
die Verdichterluf't
zu übertragen. Diese Mischung ist zwischen zwei Druckstufen der Turbine, vorzunehmen,
zwischen denen praktisch der gleiche Druck wie beim Gaswechselvo,rgang besteht.
Die Verdichterluft wird vor ihrem Eintritt in die Luftturbine durch einen an sich
bekannten Wärmeaustauscher geführt, der nicht zum Gegenstand der Erfindung gehören
soll.
-
Gemäß Fig. 1 umfaßt er das Abgas-Ringrohr 42, innerhalb dessen die
Rohre 18 und das Sammelrohr 43 verlegt sind. Die Abgase werden durch die- Leitung
44 fortgeführt, während die Luft vom Sammelrohr 43 in die Leitung 45 gelangt. Die
Leitung 45 hat an ihrem Ende die Rohrstutzen 46, die sich, dichtend in der Kammer
47 mit der Zylindürsch,wingung bewegen können. Aus der Kammer 47 gelangt die verdichtete
Luft durch. das Rohr 48 in die Turbine 3 und strömt von dort durch den Stutzen 49
ab.. Da das aus diesem Wärmeaustausch-er kommendeAbgas derVerbrennung noch eine
verhältnismäßig hohe Temperatur hat, führt die Mischung des Abgases mit der Turbinenluft
eine: Steigerung dies Gesamtwirkungsgrades herbei.
-
In Fig. 4 ist mit 70 ein in Fi,g. 1 näher dargestellter Verdichter-
und Verbrennungszylinder bezeichnet. Dieser ist mit dem Wärmeaustauscher 71 umgeben,
wie er ebenfalls in, Fi,g. 1 im einzelnen dargestellt ist. Ein rotierender Kompressor
72 saugt durch den Stutzen 73 Luft an und fördert diese mit einem verhältnismäßig
geringen Druck, z. B. mit 2 oder 4 ata., durch die Leitung 74 in den Druckausgleichraum
75. Von dem Raum 75 gelangt die Luft einerseits durch die Leitung 76 in den Verbrennungszylinder
und andererseits durch die Leitung 77 in dien Verdichterzylinder. Die von dem Zylinder
gef'ärderteVerdichte.rluft durchströmt den Wärmeaustauscher 71 und wird durch die
Leitung 78 in den Druckausgleichraum 79 geführt. Von dem Raurn79 tritt die Luft
in den mit 80 bezeichneten. "Teil der Luftturbine. In diesem findet eine Entspannung
der Luft auf dien Gaswechseldruck statt, welcher angenähert gleich dem Druck ist,
den der Kompressor 72 erzeugt.
-
Aus dem Teil 80 der Luftturbine strömt die Luft durch die Leitung
81 in den Teil 82 der Luftturbine. Dabei wird: der Luft das gesamte Abgas aus der-
Verbrennung zugeführt, welches durch die Leitung 83 aus dem Wärmeaustauscher 71
in denDruckausgleichrau.m 84 und von dort in die Leitung 85 strömt. Aus dem Teil
82 der Luftturbine wird das gesamte gasförmige Mittel durch den Stutzen 86 abgeleitet.
-
Die Luftturbine, aus den Teilen 80 und 82 bestehend, gibt ihre Energie
einerseits an den Kompressor 72 und andererseits an den Stromerzeuger 87 ab. Zu
diesem Zweck sind die einzelnen 1@laschinen miteinander gekuppelt.
-
Eine weitere Ausnutzung der Wärme der Gase kann durch eine Kühlung
dies Verdichter- und Verbrennungszylinders mit Hilfe der Verd,ichterluft bewirkt
werden. Zu diesem Zweck ist die Luft entweder vor ihrer Verdichtung in dem Verd'ichiterzylinder,
gegebenenfalls nach Vorverdichtung durch einen Kom: pressor 72, oder nach teilweiser
Expansion in der Turbine als Kühlluft um den Zylinder oder um Teile des Zylinders
zu führen, Die dadurch, bewirkte Erwärmung der Verdichterluft ist deshalb ohne Erreichung
ungünstig hoher Temperaturen der Verdichterluft möglich, weil diese Luftmengen verhältnismäßig
groß sind und in dem Verdich,terzylinder auf nur verhältnismäßig geringe Drucke
verdichtet und adiabatisch erwärmt werden. Die von dem Verdichter- und Verbrennungszylinder,
der in bekannter Weise mit Kühlrippen versehen sein kann. abgegebene Wärme trägt
dann zu einer Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades der Einrichtung bei.