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TREIBGASERZEUGER FUR GASTURBINEN Im Zuge der Gasturbinenentwicklung
stellt sich immer wieder das Problem der Treibgaserzeugung, vor allem im Hinblick
auf einen gUnstigen WirkunGsgrad bei geringem Bauaufwand und Kosten, sowie Wartungsfreiheit
und einfache Startmöglichkeit.
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Im Gegensatz zu den Freikolbenverdichtern wird hier eine Kombination
aus einem Strömungsverdichterteil und einem Verdrängerteil vorgeschlagen, weil auf
diese Weise die Annäherung an den Verdichterprozeß im Carnot'schen Kreisprozeß am
besten gelingt.
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Im folgenden soll erfindungsgemäß ein Vorschlag unterbreitet werden,
der weiter bezüglich dem stärker werdenden Verlangen nach Abgasverbesserung, insbesondere
bei Hubkolben- und Rotationskolbenmotoren, Rechnung trägt. Der Erfindungsvorschlag
beinhaltet minen reinen Treibgaserzeuger für Gasturbinen und ähnlichem, als Kombination
einer Strömungsmaschine und eines Hubkolben- oder Rotationskolbenmotors.
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In Anlehnung an den Carnottschen Kreisprozeß als Idealfall soll der
Verdichterteil in 2 Phasen aufgeteilt werden, nämlich 1. in einen isothermen und
2. in einen adiabaten Verdichtungsprozeß.
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Zu 1.: Es wird vorgeschlagen, den isothermen Tell über ein mehrstufiges
Schleudergebläse mit intensiver Zwischenkühlung annähernd zu erreichen. Die Leitschaufteile
sind mit Kühlrippen, die zum Teil a Einlaufleitschaufeln ausgebildet werden können,
versehen. Nach Erreichen eines gewünschten Uberdruckes bei möglichst niedriger Temperatur
gelangt die I4uft in den als Motorgehäuse ausgebildeten Luftkessel.
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Zu 2.: Für den adiabaten Verdichtungstell wird ein Hubkolbenmotor
mit 6-Takt-Verfahren oder eine Rotationskolbenmaschine mit Epitrochoide 3:4 vorgeschlagen.
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Der im 6-Takt-Verfahren laufende Hubkolben-Einzylinder arbeitet und
komprimiert alle 3 Umdrehungen. Die ausgeschobenen Verbrennungsgase bzw. die hochverdichtete
Luft gehen über das Auslaßventil in einen Hochdruck-Mischkessel, von dem dann das
Treibgas zur Turbine weitergelietet wird.
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Die Rotationskolbenmaschine, Epitrochoide 3:4, arbeitet jede Umdrehung
der Exzenterwelle und verdichtet bei jeder Umdrehung. Sie hat zwei Verdichtungsteile
und einen Rundbogen. Am Umfang eines Gehäusemantels sind zwei Einlaßkanäle, ein
Auspuffkanal und ein Ausschubkanal, für die hochverdichtete Luft.
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Die Exzenterwelle läuft mit 4 . w des Kolbens. Die Schnellläufigkeit
ist sehr hoch, also gut für den direkten Antrieb eines Gebläses geeignet. Durch
einen naehgeschalteten Mischkessel wird dann das Gasgemisch der Turbine zugeführt.
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In diesem zweiten Prozeß wird somit auf die hingewiesenen Arten und
Möglichkeiten die Luft annähernd adiabat verdichtet und die für den gesamten Verdichtungsprozeß
notwendige Arbeit geleistet. Es handelt sich im vorliegenden Fall also um sehr hochaufgeladene
Verdrägermotoren.
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Das Verhältnis isotherme/adiabate Verdichtung und Expansion sollte
@en jeweils den besten Wirkungsgrad erzielenden Gegebenheiten angepaßt werden. Die
Gegebenheiten sind die geforderten Zustandsgrößen des Treibgases wie Druck P , Temperatur
T@, sowie das pro Zeiteinheit geförderte Gewicht Gt . (Siehe Abb 1 und Abb 2; Wenn
vorausgesetzt wird, daß die Verdichtungsarbeit der motorischen Arbeit entspricht,
so liegen nach den vorgenannten Angaben alle Baugrößen fest. Die allgemeine Formel
lautet, wenn folgende Begriffe gewählt werden,: Lisverd isotherme Verdichterarbeit.
Sie wird geleistet in dem mehrstufigen Kreiselverdiehterteil mit intensiver Zwischenkühlung;
praktisch durchführbar bei einer Aneinanderreihung mehrerer Polytropen und Isobaren.
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L adverd @ adiabate Verdichterarbeit bis zum Treibgasdruck im Hochdruckmischkessel.
Die Arbeitsleistung erfolgt im Hubkolbenteil im 2. Takt bzw. im Rotationskolbenteil
im Verdichtungsbogen der Epitrochoidenmaschine 3:4.
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L isobar - isobare Verdichtungsarbeit nach Erreichen des Treibgasdruckes
L adverd.mot. - Adiabate Verdichtung im Motorprozeß bis hin zur Verbrennungstemperatur
und Einspritzung mit isothermer Verbrennung.
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L isex - isotherme Expansion, bei der Wärme durch Verbrennung zugeführt
wird. (Im praktischen Diagramm ist hier ine isotherme und daran anschlioßend eine
isotherme bzw. isobare Verbrennung geeigneter, weil die Drücke sehr hoch werden.
Beispielsweise bei 1000 °C isothermer Verbrennung in der Größenordnung von 700 at
und bei isovolumer und isothermer Verbrennung ca. 500 at, bei isothermer und anschließend
isobarer Verbrennung mit max.
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Temperatur bei 1500 °C wird der Zünddruck ca. 450 at. Die möglichen
Wirkungsgrade liegen zwischen 77% und über 50%.) (Untere Druckgrenze bildet Linie
des Druckes im Hochdruckmischkessel, Pt Treibgasdruck) L adex - adiabate Expansion
bis zum Anfangsdruck vor dem Kreiselverdichter L'adex - adiabate Expansion bis zum
Treibgasdruck.
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Der Treibgasdruck P+ wird entsprechend der ursprünglichen Forderung
- Verdichtungsarbeit gleich motorische Arbeit - dahin gelegt, wo L isex + L'adex
- Verdichtungsarbeit ist.
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L isobarex - isobare Arbeit beim Ausschieben der Ver-@@ brennungsgase
(beim 6. Takt) in den Hochdruckmischkessel Die allgemeine Formel lautet dann: -
(L isverd + L adverd + L isobar + L isverd.mot + L adverd.mot + L isobarex) + L
isex + L'adex - 0 oder L isex - (2 L isverd + L adverd + L isobar + L adverd.mot
+ L isobarex) - L'adex Aus L'ad kann der Treibgasdruck P und die Temperatur T bei
gegebener maximaler Temperatur ermittelt werden, bzw. bei gege
bener
maximaler Temperatur ermittelt werden bzw. bei gegebenen Werten fUr den Zustand
des Treibgases können bei Bestimmung einer max, Verbrennungstemperatur alle übrigen
Werte festgestellt werden.
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Der Brennstoff wird in entsprechender Taktrolge und in gewUnschter
Menge eingespritzt und eine Verbrennung nach dem Dieselprozeß oder unter Zuhilfenahme
einer Zündkerze (Hybrid) eingeleitet. Die mittlere Temperatur ist wegen des hohen
Luftüberschusses wesentlich niedriger als bei einer reinen Arbeitsmaschine. Aus
diesem Grunde ist kein weiteres Kühlmittel erforderlich. Da das Temperaturgefälle
bis zur völligen Expansion in einer nachgeschalteten Arbeitsturbine sehr groß ist,
wird auch der Wirkungsgrad gut sein. Außerdem ist es möglich, wegen des hohen Luftüberschusses
durch Nachbrennen im oder hinter dem Mischkessel eine zusätzliche Leistungserhöhung
zu erzielen. Im Falle der Verwendung als Antrieb für eine Lkw-Gas turbine wäre ein
hohes Antriebsdrehmoment der Turbine durch Erhöhung der Beaufschlagung Usw. möglich.
Wie eingangs erwähnt, würde dem Wunsch nach sauberen Abgasen genüge getan. Ein wesentlicher
Vorteil der vorgeschlagenen Maschine liegt darin, daß sie neben guter Startmöglichkeit
eine einfache Bauweise verspricht, da sie kein zusätzliches Kühlaggregat (Kühler)
oder Gebläse und keinen Wärmetauscher benötigt und aurgrund dessen einfach in einem
Fahrzeug unterzubringen ist. Außerdem besteht weitgehende Brennstoffunempfindlichkeit
bei Erzielung bester Wirkungsgrade, was fUr eine Eignung als Sohiffsmaschine mit
Schwerdlbetrieb spricht.
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Für die adiabate motorische Verdichtung und isotherme Verbrennung
eignet sich die Verdrängungsmaschine und insbesondere die Hubkolbenmaschine am besten.
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Bei dem nach dem 6-Takt-Verfahren -wie erfindungsgemäß vorgeschlagen-
arbeitenden Hubkolbenverdichter-Teil ist die thermische Belastung der Bauteile nicht
hoch, so daß ein Verdichtungsenddruck p in der Größenordnung von 400 at (siehe Abb.2)
und einer max. Temperatur von 1000 °C möglich erscheint. Da diese Druckspitze nur
kurzzeitig herrscht und bei der isothermen Verbrennung (bei der angenommenen max.
Temperatur) rasch auf wesentlich niedrigere Werte (in diesem Fall 100 bis 120 at)
abgefallen ist, wenn nach Brennschluß die adiabate Expansion beginnt, iat die Gesamtbeanspruchung
nicht so hooh, daß sie mit heutigen Mitteln nicht beherrscht werden kdnnte, ohne
daß
besondere Anstrengungen erforderlich sind. Zumal an ein Mehrfaches der Drehzahl
eines heute üblichen Dieselmotors gedacht ist, dürfte der Verdrängerteil klein und
kompakt gebaut werden können (Kolben aus Titan-Al-Kombination).
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Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil des erfindungsgemäßen Vorschlages
liegt darin, die Bremsenergie im Schiebebetrieb zu speichern und bei Bedarf wieder
nutzbar zu machen.
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Bei Verwendung einer Rotationskolbenmaschine, auf die eingangs hingewiesen
wurde, ergibt sich auch bei ungünstigen Brennräumen eine gute Durchmischung der
Abgase mit der hochkomprimierten Luft im Hochdruck-Mischkessel, so daß alle die
mit der hohen Temperatur der Abgase verbundenen Nachteile infolge ungünstiger Brennraumform
wegfallen. Durch die hohe Aufladung wird das Verdrängerteil sehr klein, so daß das
gesamt erforderliche Bauvolumen klein wird. Die Höhenlagenempfindlichkeit einer
solchen Maschine ist sehr gering.
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Im folgenden soll nun anhand der Bilder die Arbeitsweise näher erklärt
werden.
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Abb. 3 zeigt den Aufbau des Aggregates im Längsschnitt, darin bedeuten
1 das Gebläse zum Erzeugen der Kühl luft für den mehrstufigen Verdichter, 2 die
Leitapparate mit den KUhlrippen und 3 die einzelnen Gebläsestufen. Direkt verbunden
mit diesem Teil ist der Hubkolbenteil. 5 zeigt das Motorengehäuse, über das die
verdichtete Luft nach Passieren des ersten noch gekühlten Druckluftkessels gelangt.
6 bezeichnet den Zylinderkopf, der den Ventilantrieb trägt. Die obenliegende Nockenwelle
7 kennzeichnet eine gedachte hohe Schnellläufigkeit. Zur Erhöhung"der Kühiwirkung
sind die Zylinderbüchsen 8, 9 und 10 verrippt. Um einen gleichmäßigen Lauf zu erhalten,
sind mindestens 3 Zylinder zweckmäßig.
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Abb. 4 zeigt den Hubkolbenteil im Querschnitt, darin bedeutet 4 den
ersten Druckluftkessel mit dem Anschluß an das Motorengehäuse 5. Im Zylinderkopf
6 befinden sich die Einlaßventile 12 mit der ElntrittsUrRnung in das Zylinderkopfinnere
und daß Auslaßventil 13. Die Nockenwelle 7 trägt die Nocken 14, deren Form in
näher erläutert wird,
15 stellt den gut isolierten zweiten Hochdruckmischkessel
dar, der das endgültige Druckluftabgasgemisch, das Treibgas, für die Turbine aufnimmt.
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Abb. 5 zeigt das Arbeitsverfahren eines einzelnen Zylinders und die
Arbeitsweise von 3 um 560 ° versetzten Zylindern entsprechend der Darstellung in
Abb. 3.
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Abb. 6 stellt die Nockenrorm dar. Da der Motor alle 3 Umdrehungen
zündet, ist auch die Nockenwellen-Ubersetzung 1:3.
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Infolgedessen entsprechen 180 ° an der Kurbelwelle 60 ° am Nocken.
Entsprechend dem Arbeitsverrahren hat jeder Nocken pro Umdrehung 2 Erhebungen.
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Abb. 7 veranschaulicht nebenstehend einen Nocken, dessen Erhebungskurve
durch seitliches Verschieben, Je nach den gewünschten Belastungszuständen, angepaßt
werden kann, beispielsweise wenn im Schiebetrieb als Lkw- bzw. Lok-Antrieb bei Talfahrt
gebremst werden soll und der Verdichter-Motor ohne Einspritzung als Kompressor laufen
soll, so daß die Energie als Druck im Hochdruckmischkessel gespeichert und bei Bergrahrt
wieder nutzbar gemacht werden kann (strichpunktierte Erhebung Abb. 6).
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Arbeitsweise Über das Axialgebläse 1 der Abb. 3 wird Luft angesaugt.
Ein Teil wird als Kühlluft verwendet und ein Teil geht Uber mehrere Stufen und wird
auf einen gewünschten Überdruck (beispielswiese' 4 at) gebracht. Von dort gelangt
die gekühlte Druckluft in den Kessel 4, der ebenfalls noch gekühlt wird. Von hier
tritt die Luft in das Motorgehäuse 5, dort strömt die Lurt über die verrippten Zylinder
8, 9 und 10 in den Zylinderkopf 6, um auah hier zunächst eine gewisse Kühlwirkung
auszuüben, bis die Luft über den Einlaßkanal, der in den Zylinderkopf mündet, in
den Zylinder atrdmt. Nach der Füllung des Zylinders mit reiner Luft, welche beispielsweise
unter einem Überdruck von 4 at steht, beginnt die Verdichtung bis entsprechend der
Nokkenauslegung (siehe Abb. 6 und Abb. 7) bei einem bestimmten Weg, respektive Druck
(Beispielsweise 25 at), das Auslaßventil öffnet und so die Luft in den Hochdruekkessel
15 gelangt.
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Um den o.T. schließt das Auslaßventll 13 und das Einlaßventil 12 öffnet.
Die erste Umdrehung, die der Hubkolbenteil als Kompressor wirkte, ist vorüber. Nach
der zweiten Aufladung öffnet
das Auslaßventil 13 nicht, sondern
die Verdichtung endet im o.T. mit der Einspritzung nach dem Dieselverfahren bzw.
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Einspritzung und Zündung (Hybrid), so daß im folgenden Takt Arbeit
geleistet wird. Da die Füllung hoch ist, kann auch eine höhere Arbeitsleistung mit
höherem Mitteldruck erreicht werden. Beim Erreichen eines gewissen Expansionsdruckes
öffnet das Auslaßventil 13 und läßt die verbrannten Gase in den Hochdruokkessel
15 entweichen, in den vorher die reine, hochverdichtete Luft strömte. In diesem
Kessel findet eine gerisse Mischung (deswegen Hochdruckmischkessel) statt und mit
einer bestimmten Mischtemperatur (von beispielsweise 350 °C) und einem bestimmten
Druck (von beispielsweise 25 at) steht das Gemisch zum Betrieb einer Gasturbine
zur Verfugung, Ein Einschalten von Zwischenbrennern ist durchaus möglich, so daß
Jede beliebige zweckdienliche Temperatur gefahren werden kann.