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Titel: Verbrennungskraftmaschine
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Beschreibung Verbrennungskraftmaschine Die Erfindung bezieht sich
auf eine thermische Verbrennungskraftmaschine mit offenem Kreislauf, insbes. in
Form einer Strömungsmaschine (Gasturbine) und einer Kolbenmaschine (Viertakt-Verbrennungsmotor)
mit innerer Verbrennung.
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Es sind Strömungsmaschinen mit offenem Kreislauf (Gasturbinen) bekannt,
bei denen zur Realisierung eines hohen Wirkungsgrades in mehreren Stufen adiabatische
Teilkompressionen mit isobaren Zwischenkühlungen vorgenommen werden, um eine Annäherung
an eine isotherme Kompression zu erreichen. Gleichfalls werden anschließend in mehreren
Stufen adiabatische Teilexpansionen mit isobaren Teilverbrennungen durchgeführt,
um eine Annäherung an eine isotherme Expansion zu erzielen. Zwischenkühlungen als
auch Teilverbrennungen werden außerhalb des eigentlichen Kompressionsraums und Expansionsraums
bei annäherungsweise konstantem Druck, also isobar vorgenommen.
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Das Bauvolumen und die Baukosten derartiger Strömungsmaschinen sind
ebenso wie die Strömungsverluste wegen der Aus- und Einleitung der Verbrennungsluft
und der Verbrennungsgase aus dem Kompressions- und
dem Expansionsraum
hoch, so daß die Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades nicht zu einer preiswerteren
Energieerzeugung führt.
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Bei bekannten Kolbenmaschinen mit innerer Verbrennung wird den Zylindern,
in denen sowohl die Kompression der Verbrennungsluft als auch die Expansion der
Verbrennungsgase erfolgt, zuerst die Verbrennungsluft adiabatisch komprimiert. Danach
erfolgt die Wärmezufuhr bei der zu steigenden Temperaturen führenden Verbrennung
kurzzeitig und zwar entweder bei annäherend konstantem Druck oder annähernd konstantem
Volumen bzw. zunächst bei annähernd konstantem Volumen und dann bei annäherend konstantem
Druck. Die weitere Expansion der Verbrennungsgase erfolgt dann adiabatisch. Zur
Erhöhung des Wirkungsgrades ist vorgeschlagen worden, im Anschluß an die Verbrennung
Wasser in den Expansionsraum einzuspritzen und isobar zu verdampfen.
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Der Wirkungsgrad derartiger Verbrennungsmotoren, auch solcher großer
für den stationären Betrieb eingesetzter Verbrennungsmotoren unterrheidet sich noch
stark von dem thermodynamisch möglichen Wirkungsgrad.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, den Wirkungsgrad der eingangs
genannten herkömmlichen thermischen Verbrennungskraftmaschinen mit offenem Kreislauf
zu verbessern und ihre Anlagekosten herabzusetzen sowie ihr Bauvolumen zu vermindern.
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Eine diese Aufgabe lösende Verbrennungskraftmaschine ist im Patentanspruch
1 gekennzeichnet. Eine Ausgestaltung als Strömungsmaschine (Gasturbine) und eine
als Kolbenmaschine (Viertakt-Verbrennungsmotor) sind Gegenstand der Ansprüche 2
und 3. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden
Erläuterungen und Beispielen, für die jeweils Schutz begehrt wird.
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Die Erfindung sieht eine Einspritzung von Wasser (oder einer vergleichbaren
verdampfbaren wohlfeilen und in die Atmosphäre ausstoßbaren Flüssigkeit) an einer
oder mehreren Stellen innerhalb eines Kompressionsraumes vor, um sie während der
Kompression der Verbrennungsluft bzw. von Verbrennungsgasen zu verdampfen - ununterbrochen
oder mit Unterbrechungen - derart, daß die Verdampfung der eingespritzten Flüsigkeit
zeitlich gestreckt über die gesamte oder einen Teil der Kompressionszeit ausgedehnt
ist, die Kompression also isotherm oder angenäherd isotherm erfolgen kann. Im Unterschied
zu den herkömmlichen Maschinen läßt sich mit einer derartigen Verbrennungskraftmaschine
durch diese Flüssigkeitseinspritzung und deren Verdampfung innerhalb des Kompressionsraumes
während der Kompression eine isotherme bzw. annähernd isotherme Kompression der
Verbrennungsluft bzw. von Verbrennungsgasen (die im Kreislauf zurückgeführt werden)
durchführen.
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Gemäß der Erfindung erfolgt eine Brennstoffzufuhr an einer oder mehreren
Stellen innerhalb des Expansionsraumes für eine etwa isotherme Verbrennung - ununterbrochen
oder mit Unterbrechungen -derart, daß die Verbrennung des Gemisches aus Brennstoff
und hochverdichteter Luft zeitlich gestreckt über die gesamte oder einen Teil der
Expansionszeit ausgedehnt ist. Im Unterschied zu den herkömmlichen Maschinen läßt
sich mit einer derartigen Kraftmaschine durch diese unmittelbare Brennzufuhr und
Verbrennung innerhalb des Expansionsraumes eine isotherme bzw. annähernd isotherme
Expansion der Verbrennungsgase erzielen. Die Verbrennung des Brennstoffs kann ausschließlich
im Expansionsraum oder, wie beispielsweise bei einer Gasturbine, zum Teil bereits
in einer der Expansionsturbine vorgeschalteten Brennkammer erfolgen. Indiesem Fall
darf nur derart viel Verbrennungsluft verbraucht werden, daß noch genügend für die
weitere Verbrennung innerhalb des Expansionsraums zur Verfügung steht.
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Durch diese Ausbildung der Verbrennungskraftmaschine läßt sich bei
vergleichsweise niedrigem Bauaufwand und ohne merkliche zusätzliche
Betriebskosten
der thermische Wirkungsgrad gegenüber solchen mit angenähert adiabatischer Kompression
und Expansion wesentlich steigern.
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Bei Gasturbinen erfolgt die Brennstoffzufuhr innerhalb der Statorkanäle
einer oder mehrerer Expansionsstufen, vorzugsweise in jedem der Statorkanäle einzelnerExpansionsstufen
an einer oder mehreren Stellen. Dabei soll die Brennstoffzufuhr gegen die Strömungsrichtung
der Verbrennungsluft oder Verbrennungsgase erfolgen, damit die Verbrennung in jederStufe,
vorzugsweise bereits in den Statorkanälen, vollständig ist.
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Die Einspritzung der zu verdampfenden Flüssigkeit, also insbes.
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Wasser, während der Kompression der Verbrennungsluft bzw. von Verbrennungsgasen
erfolgt innerhalb der Statorkanäle einer oder mehrerer Kompressionsstufen, vorzugsweise
in jedem der Statorkanäle einzelner Kompressionsstufen an einer oder mehreren Stellen
bzw. zwischen mehreren Schaufeln.
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Bei Kokrnkraftmaschinen mit innerer Verbrennung afolgt die Brennstoffzufuhrin
den Zylinder während der Expansionszeit des krafterzeugenden Arbeitsganges, also
während des Expansionshubes, und zwar derart, daß wenigstens im ersten Teil der
Expansion eine möglichst weitgehend isotherme Expansion verwirklicht ist. Die Flüssigkeitseinspritzung
erfolgt ebenfalls in den Zylinder während der Kompressionszeit des kraftverbrauchenden
Arbeitsganges, also Kompressionshubes.
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Durch die Erfindung können bei beiden Verbrennungskraftmaschinenarten
die thermischen Wirkungsgrade erheblich verbessert werden, indem man den theoretisch
bestmöglichen Carnot-Prozeß bzw. den ihm thermisch gleichwertigen Ericsson-Prozeß
oder die Kombination dieser beiden Prozesse mit wirtschaftlich vertretbaren Investitionskosten
nahezu verwirklicht.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung
näher erläutert, in der zeigt: Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Gasturbine, die angenähert einen offenen Carnot-P-razeß verwirklicht, Fig. 2 eine
zweite Ausführungsform einer erfind;ungsgemäßen Gasturbine mit rein adiabatischer
Kompression, zum Teil isothermer Expansion sowie sich anschließender isothermer
Kompression vor dem Ausstoß, Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer Gasturbine,
die der nach Fig. 2 ähnelt, jedoch die zugeführte Verbrennungsluft teilweise isotherm
komprimiert, Fig. 4 eine vierte Ausführungsform einer Gasturbinenanlage, bei der
die isotherm komprimierte Verbrennungsluft zunächst in einem Wärmeaustauscher durch
heiße Abgase der Expansionsturbine erhitzt werden die sich dabei abkühlen, Fig.
5 eine fünfte Ausführungsform, die der nach Fig. 4 ähnelt, bei der jedoch die aus
dem Wär-meaustauscher austretenden Heißgase der letzten Expansionsstufe der Expansionsturbine
zur Entspannung auf Umgebungsdruck zugeleitet werden, Fig. 6 eine sechste Ausführungsform
einer Gasturbinenanlage, die der nach Fig. 5 ähnelt, bei der aber die in der letzten
Expansionsstufe der Expansionsturbine entspannten Gase einer isothermen Nachverdichtung
auf Umgebungsdruck ähnlich wie bei den Gas turbinen nach den Fig. 2 und 3 unterworfen
wird, wobei jedoch die Kompression der angesaugten Verbrennungsluft adiabatisch
erfolgt, und Fig. 7 eine siebte Ausführungsform einer Gasturbinenanlage, die der
nach Fig. 6 ähnelt, bei der jedoch die angesaugte Verbrennungsluft zum Teil isotherm
verdichtet wird.
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Die Gasturbinen gemäß den Fig. 1 bis 3 verwirklichen etwa einen offen
Carnot-Prozeß, die Gasturbinenanlage nach Fig. 4 verwirktlickt annäherend einen
Ericsson-Prozeß und die Gasturbinenanlagen nach den Fig. 5 bis 7 verwirklichen eine
Kombination eines angenäherten Carnot-Prozesses und eines angenäherten Ericsson-Prozesses.
In die Temperatur-Entropie-Diagramme des jeweilgen Wärmekraftprozesses ddie Zustandsänderungen
der Verbrennungsluft und der Verbrennungsgase bei den verlustlosen Maschinen qualitativ
eingetragen.
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Für die Kolben-Verbrennungsmotoren gelten prinzipiell die gleichen
schematischen Darstellungen und Temperatur-Entropie-Diagramme wie für die Gasturbinen
(Strömungsmaschinen mit offenem Kreislauf) mit dem Unterschied, daß die dargestellten
Zustände des Arbeitsmediums bei den Gasturbinen mit offenem Kreislauf bein jeweiligen
Ort in stationärem Zustand zeitlich unveränderlich sind, während bei den Kolbenmaschinenmit
innerer Verbrennung an einem unveränderten Ort (Zylinder) zeitlich und periodisch
veränderliche Zustände des Arbeitsmediums vorkommen. Dies ist wiederum nur dann
möglich zu realisieren, wenn bei den Kolbenmaschinen mit innerer Verbrennung die
Öffnung und Schließung der zugehörigen Ventile mit den Kolbenbewegungen der Maschine
auf die schon bekannte Weise sinnvoll koordiniert wird.
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Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Gas turbine mit offenem
Kreislauf wird die Umgebungsluft über eine Leitung 21 und ein Filter 22 dem Kompressionsraum
2 eines Luftverdichters 1 zugeführt.
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In einem ersten Teil 3 des Kompressionsraums 2 wird die Luft adiabatisch
komprimiert und so auf eine höhere Temperatur gebracht, bei der die Verdampfung
des in einen zweiten Teil 4 des Kompressionsraums 2 eingespritzten Wassers, das
von einer Wassereinspritzmehrere i i h 6 LeLtu Leitungen 7 den Statorkanälen des
zweiten Verdichterteils 4 zugeführt wird, zustande kommen kann. Nachdem der erwünschte
Druck im zweiten Verdichterteil 4 dadurch isotherm bzw. annäherend isotherm erreicht
wird, wird ineinem dritten Verdichterteil 5 die Verbrennungsluft und der Dampf auf
einen noch höheren Druck wieder adiabatisch komprimiert.
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Aus dem dritten Verdichterteil 5 tritt die hochverdichtete und hocherhitzte
Luft und der Dampf in den Expansionsraum 12 einer Gasturbine 11 über, in den hinein
die Brennstoffzufuhr in einem ersten Teil 14 unmittelbar erfolgt. Der Brennstoff
wird von einer Brennstoffeinspritzvorrichtung 8 über mehrere parallele Leitungen
9 in den Statorkanälen in diesem ersten Teil 14 eingespritzt, wo dessen Verbrennung
stattfindet. Wegen der Expansion und entsprechend dosierter Brennstoffzugabe durch
die Brennstofeinspritzeinrichtung 8 sinkt gleichzeitig der Druck in den Statorkanälen,
so daß es zu einer isothermen bzw. annähernd isothermen Expansion der Verbrennungsgase
in diesem ersten Gasturbinenteil 14 kommt. Danach gelangen die Verbrennungsgase
in einen zweiten Teil 15 der Gasturbine, in dem sie adiabatisch bis auf den Umgebungsdruck
expandieren. über eine Ausstoßleitung 23 werden sie dann in die Umgebung abgeführt.
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Bei der in Fig. 2 schematisch dargestellten Gasturbinenanlage mit
offenem Kreislauf wird die Umgebungsluft im Verdichter 1 nur adiabatisch auf den
erwünschten Druck komprimiert und tritt dann in die Arbeitsturbine 11 über. In,einem
ersten Arbeitsturbinenteil 15 erfolgt eine isotherme Entspannung ebenso wie bei
der Ausführungsform nach Fig. 1, weil entsprechend die Brennstoffzufuhr unmittelbar
von einer Brennstoffeinspritzeinrichtung 8 in die Statorkanäle der Strömungsrichtung
des Gases entgegen gerichtet erfolgt. An die isotherme Expansion schließt sich eine
adiabatische Expansion in einem zweiten Turbinenteil 15 an, und zwar bis zu einem
unter dem Umgebungsdruck liegenden Druck (Vakuum). Danach gelangen die Verbrennungsgase
in einen dritten, jedoch als Verdichter ausgebildeten Teil 31, in welchen durch
eine Wassereinspritzpumpe 26 über eine Leitung 27 Wasser in die Statorkanäle eingebracht
wird, und zwar derart verteilt und dosiert, daß eine isotherme bzw. annähernd isotherme
Kompression erzielt wird. über die Leitung 23 werden dann die Verbrennungsgase und
der Dampf in die Umgebung abgeführt.
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Bei der in Fig. 3 schematisch dargestellten Gasturbinenanlage mit
offenem Kreislauf wird die Verbrennungsluft in gleicher Weise wie bei der Anlage
nach Fig. 1 komprimiert und dabei erhitzt. Die Expansion und Nachverdichtung der
Verbrennungsluft und -gase erfolgt ebenso wie bei d # #S*e/ ig. 2.
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Bei der in Fig. 4 dargestellten schematischen Gasturbinenanlage wird
die Umgebungsluft im Verdichter 1 zunächst adiabatisch im Verdichterteil 3 und dann
etwa isotherm in einem zweiten Verdichterteil 4 komprimiert, in den von einer Wassereinspritzpumpe
6 über Leitungen 7 Wasser entsprechend in den Statorkanälen eingespritzt wird. Nachdem
der erwünschteDruck im zweiten Verdichterteil 4 erreicht ist, wird die Verbrennungsluft
über eine Leitung 41 in einem Lufterhitzer 42 weiter erhitzt und über eine Leitung
43 der Arbeitsturbine 11 zugeführt. Injdieser erfolgt eine etwa isotherme Expansion
bis auf einen geringfügig oberhalb des Umgebungsdrucks liegenden Druck . Der Brennstoff
wird mittels der Brennstoffeinspritzeinrichtung 8 über Leitungen 9 den Statorkanälen
der Turbine zugeführt. Die aus der Turbine 11 austretenden Verbrennungsgase werden
über eine Leitung 44 in den Lufterhitzer 42 eingeleitet, wo sie die aus dem Verdichter
1 austretende Verbrennungs luft erhitzen. Über eine Leitung 45 werden sie an die
Umgebung abgegeben.
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Bei der in Fig. 5 dargestellten Gasturbinenanlage erfolgt die Kompression
der Verbrennungsluft ebenso wie bei der Anlage nach Fig. 1. Diese wird dann in einem
Lufterhitzer 42 nacherhitzt, bevor sie in die Arbeitsturbine 11 eintritt, in der
sie aufgrund des in sie von der Brennstoffeinspritzpumpe 8-eingetragenen Brennstoffes
etwa isotherm auf einen Zwischendruck expandiert wird. Die Verbrennungsgase gelangen
über die Leitung 44 in den Lufterhitzer 42, geben dort einen Teil ihrer Wärmeenergie
an die Verbrennungsluft ab und werden dann über eine Leitung 46 einer auf der Welle
ziaetfih und der Gasturbine vorgesehenen weiteren Expansionsstufe -471 adiabatisch
auf Umgebungsdruck expandiert und dann über eine Leitung 48 an die Umgebung abgeführt.
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Die Gasturbinenanlage nach Fig. 6 gleicht im grundsätzlichen Aufbau
des ach Fig. 5. Es wird jedoch die Kompression der Verbrennungsluft im Verdichter
1 adiabatisch vorgenommen. Außerdem werden die
aus dem Lufterhitzer
42 austretenden Gase nach ihrer auf einen unterhalb des Umgebungsdruck erfolgenden
adiabatischen Expansion einer isothermen Kompression in einer sich an die Expans-ionsstufe
47 unmittelbar anschließenden Kompressionsstufe 50 isotherm dadurch auf Umgebungsdruck
komprimiert, daß in die Statorkanäle der Kompressorstufe 50 Wasser entsprechend
eingespritzt wird.
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In der Gasturbinenanlage nach Fig. 7 sind die Kompression der Verbrennungsluft
gemäß der Anlage nach Fig. 5 mit der weiteren Erhitzung sowie arbeitsleistenden
isothermen Expansion, weiteren adiabatischen Expansion und isothermen Kompression
der Anlage gemäß Fig. 6 miteinander vereinigt.-Bei allen Strömungsmaschinen erfolgt
die Wasser- und die Brennstoffzufuhr innerhalb der Teile, in der eine isotherme
Kompression oder Expansion verwirklicht werden sollr innerhalb-der Statorkanäle
an einer oder mehreren Stellen.
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Für Kolbenmaschinen mit innerer Verbrennung können Kolben- oder Strömungskompressoren
für die Verbrennungsluft und von diesen getrennt die arbeitsleistenden Zylinder
vorgesehen werden. Die Brennstoffzufuhr in den oder die Arbeitszylinder erfolgt
derart, daß sich die Verbrennung ununterbrochen oder mit Unterbrechungen über die
gesamte oder einen Teil der Expansionszeit ausdehnt.
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Die zeitliche Streckung erz Verbrennung kann auf unterschiedliche
Weise erfolgen, indem beispielsweise die Einspritzstellen für den Brennstoff und/oder
die Zündstellen für das zündfähige Gemisch in den Statorkanälen bzw. im Arbeitszylinder
in Richtung der Strömung hintereinander angeordnet sind. Das Einspritzen des Brennstoffs
selbst soll entgegen der Strömungsrichtung der Verbrennungsluft erfolgen.
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Ansprüche
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