DE315191C - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsraum mit innerem Flüssigkeitsmantel, insbesonderefür Verbrennungsturbinen undFlüssigkeitsschleudcrverdichter. Die damit ausgestatteten Turbinen können mit konstanter Verbrennung oder auch mit rasch aufeinanderfolgenden Einzel Verbrennungen arbeiten. In letzterem Fall kann entweder die Strömungsenergie der Verbrennungsgase selbst, oder einer

ίο durch den Verbrennungsdruck beschleunigten Flüssigkeitssäule ausgenutzt werden. Bei den Flüssigkeitsschleuderverdichtern wird der Verbrennungsdruck durch eine mitumlaufende schwingende Flüssigkeitssäule auf die zu verdichtenden Gase übertragen.

Gemäß der Erfindung stellt der Verbrennungsraum einen teilweise mit Wasser oder sonst einer geeigneten Flüssigkeit gefüllten, im wesentlichen allseitig geschlossenen Rotationskörper dar, dessen fester Wandung sich die Flüssigkeit in bekannter Weise im Betrieb unter Einwirkung der Fliehkraft als den eigentlichen Verbrennungsraum umschließender Hohlzylinder anschließt. Hierbei ist das Kennzeichnende der Erfindung, daß die Flüssigkeit, durch die hohle Achse zugeführt, sofort radial weitergeleitet an der Umlaufsbewegung teilzunehmen gezwungen wird, so daß die Zuleitung eine Schleuderpumpe darstellt, welche gegen den inneren Flüssigkeits- und Verbrennungsdruck arbeitet und durch denselben in ihrer Lieferung in der Weise geregelt wird, daß bei vorgeschriebener Umlaufszahl und normalem . durchschnittlichen Verbrennungsdruck ein annähernder Gleichgewichtszustand zwischen zugeführter und verdampfender Wassermenge entsteht und so die im Innern des Umlaufskörpers befindliche Wassermenge ungefähr konstant erhalten bleibt.

Der Umlaufskörper kann auf einer besonderen Achse angeordnet sein. Bei den Ausführungsbeispielen stellt er zugleich die Turbinen- bzw. Verdichtertrommel dar, ist also auf der Maschinenhauptachse angeordnet.

Es zeigt .in schematischer Weise:

Fig. ι eine mit dem Verbrennungsraum ausgestattete Turbine, bei welcher die Strömungsenergie der Verbrennungsgase unmittelbar ausgenutzt wird.

Fig. 2 eine Turbine, bei welcher durch den Verbrennungsdruck die im Verbrennungsraum befindliche Flüssigkeit beschleunigt und ihre Strömungsenergie in einer Flüssigkeitsturbine verwertet wird.

Fig. 3 einen Flüssigkeitsschleuderverdichter.

Mit diesen Ausführungsbeispielen sind nur die drei hauptsächlichsten Anwendungsgebiete umschrieben, und es können die einzelnen Gattungen hinsichtlich der Wahl des Verbrennungsverfahrens, des Brennstoffs, der Zahl der Arbeitstakte, des Turbinensystems sowie einfach- oder doppeltwirkender Ausbildung· beliebige Abweichungen erfahren..

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist · zunächst gedacht als Turbine mit ununterbrochener Verbrennung und Ausnutzung der Strömungskraft in einer vielstufigen Turbine 6. Die Umlaufstrommel d ist mit der durch das

rechte hohle Achsenende e und durch den als Schleuderpumpe wirkenden Raum 9 sowie die Röhren 10 nachströmenden Betriebsflüssigkeit b teilweise gefüllt und läßt in ihrem Innern den zylindrischen Verbrennungsraum α frei. Durch das linke Achsenende, und zwar Leitung 1, wird die von einem Verdichter gelieferte oder bei Torpedoantriebsmaschinen aus dem Druckbehälter stammende Preßluft, und durch Leitung 2 der Brennstoff zugeführt. Letzterer soll durch Luft von höherer Pressung zerstäubt werden. Durch den gegen die Flüssigkeit abgeschlossenen Raum 4 und auf dem Trommelumfang befindliche Öffnungen 5 gelangt das Gemisch aus Verbrennungsgasen und Dampf ins (nicht gezeichnete) Turbinengehäuse und strömt nun arbeitsleistend durch die Schaufelung 6.

Die Wirkung der Verbrennungskammer ist dabei folgende: Durch den Flüssigkeitsmantel b werden die festen Maschinenteile der unmittelbaren Einwirkung der hohen Hitzegrade und der Strahlung entzogen, also eine sichere Kühlung erreicht, die auf das Wasser übergehende Wärme aber dient zur Erzeugung von Wasserdampf, der sich dem Gasstrom beimischt und dessen Temperatur unter Erhöhung der spezifischen Wärme auf ein erträgliches Maß herabsetzt, so daß mit mehrstufiger Ausdehnung gearbeitet werden kann. Vorteilhaft ist eine Vorwärmung des unter Druck zuzuführenden Betriebswassers. Die Wasserzufuhr hätte im Gegenstrom zu erfolgen.
Eine noch vorteilhaftere Wirkungsweise erhält man bei regelmäßig unterbrochener oder wenigstens sich abschwächender Luft- und Brennstoffzufuhr. Das unter dem Verbrennungsdruck und unter dem Einfluß der Schleuderkraft stehende Wasser erfährt nämlich während des Betriebs eine starke Überhitzung, insbesondere in den den Verbrennungsraum unmittelbar umschließenden Schichten, welche heißer und spezifisch leichter sich mit den kälteren, tieferen Schichten nicht mischen können. . . .

Läßt nun infolge Nachlassens der Brennstoffzufuhr der Verbrennungsdruck für Augenblicke nach, so tritt dafür verstärkte Dampf entwicklung ein, weil die Überhitzungstemperatur einem höheren Dampfdruck als dem augenblicklich herrschenden Druck im Ver- : brennungsraum entspricht. Es wird also auf \ diese Weise ein Betriebsstrahl von wechselnder Zusammensetzung, Temperatur, spezifischer Wärme und Druck erzeugt. Während i der vollen Verbrennung besitzt derselbe hohe | .Temperatur, geringe spezifische Wärme, verhältnismäßig geringen Dampfgehalt und hohen Druck, während des Aussetzens oder Nachlassens der Verbrennung: niedrige Temperatur, hohe spezifische Wärme, verhältnismäßig : hohen Dampfgehalt undgeringeren Druck. Trotz

^; dieser wechselnden Beschaffenheit .bleibt aber die Strömungsgeschwindigkeit annähernd dieselbe, da zugleich mit dem Sinken des Druckes sich auch das spezifische Gewicht infolge Zur nähme des Dampfgehalts ermäßigt. Für den Turbinenwirkungsgrad entsteht also daraus kein merklicher Nachteil. Der Vorteil dieser Betriebsart dagegen besteht in der Möglichkeit einer nicht unwesentlichen Erweiterung der oberen und unteren Temperaturgrenzen des Arbeitsprozesses. Für kurze Augenblicke ertragen nämlich die Schaufeln und Leitungen wesentlich höhere Temperaturen als im Dauerbetrieb. Solche treten hier nur während des Augenblicks der stärksten Verbrennung auf. Der Betriebsstrahl hat jetzt höchste Temperatur und geringe spezifische Wärme. Ein Teil seiner Wärme wird an die Schaufelung abgegeben, die nun durch Abgabe dieser Wärme an das unmittelbar folgende kühlere

j und dampfreichere Gemisch, dieses überhitzend, von ihm gekühlt wird, und so als Wärmespeicher und -austauscher zwischen den einzelnen Strahlteilen dient.' Die Wärmezufuhr geschieht beim ersten Strahlteil bei höherer Temperatur, die Wärmeabfuhr beim zweiten dampfreicheren Strahlteil bei tieferer Temperatur als es sonst mit Rücksicht auf die Bau-

j stoffe möglich bzw. durch die Gemischaus-'

j dehnung erreichbar ist.

Das Ausführungsbeispiel, Fig. 2, zeigt die Anwendung des Verbrennungsraumes auf eine Brennkraftmaschine, bei welcher die Verbrennungskraft zur Beschleunigung einer Wassersäule dient, deren Strömungskraft nun in einer Flüssigkeitsturbine ausgenutzt wird. Die Maschine ist doppeltwirkend gedacht und arbeitet im Zweitakt nach einem Verbrennungs-

j verfahren, das im wesentlichen mit dem der Gleichdruckmotoren übereinstimmt. Es sind e die Achse, d die Turbinentrommel, b und b b die Betriebsflüssigkeit, α und α α die beiden Verbrennungsräume. Die Scheidewand f zwischen beiden Verbrennungsräumen wird durch Vermittlung der Laufschaufeln g und g g starr mit dem Mantel von d verbunden. Der Leitschaufelkranz h ist mit dem nicht gezeichneten ,Gehäuse fest verbunden. Eine ungefähre Abwicklung von Lauf- und Leitschaufeln ist unmittelbar über Fig. 2 gegeben. Es bedeuten ferner 1 die Einlaßvorrichtungen für die Frischluft, 2 desgleichen für den Brennstoff und 3 für das Ergänzungswasser; durch 5 geschieht der Auspuff. Diese Vorrichtungen können sein : Klappen, Ventile, Schieber u. dgl. Der mittlere, nicht vom Wasser berührte Teil der Scheidewand f ist vor zu hohen Temperaturen durch einen schlechten Wärmeleiter i geschützt, dessen gegen den Verbrennungsraum geöffnete parabolische oder

kugelige Oberfläche mit Nickelblech oder einem anderen wärmebeständigen Metall überzogen ist und während des Betriebs in ihrem Brennpunkt eine solche Sammlung von Wärmestrahlen bewirkt, daß von diesem Punkt aus eine sichere Zündung der Neuladung gewährleistet ist. Die Einströmkammer k schützt die Einlaßvorrichtung vor unmittelbarer Einwirkung der Strahlung.

ίο Der Arbeitsprozeß ist nun folgender:

In dem durch die Zeichnung festgehaltenen Augenblick befindet sich im Raum α hochverdichtete Luft, die Ein- und Auslaß vorrichtungen dieses Raumes sind geschlossen; in Raum α α sind Ein- und Auslaßvorrichtungen geöffnet; durch 5 strömen die Abgase der letzten Verbrennung aus und durch 1 Frischluft nach α α zu. Nun beginnt in Raum a durch Achsenleitung 2 Brennstoffeinblasung und Zündung. Unter dem Einfluß des Verbrennungsdruckes und des Zentrifugalzugs wird das Betriebswasser b durch die Laufradschaufelkanäle g, Leitschaufelkanäle h und Leitschaufelkanäle g g unter Beschleunigung in Raum α α hinübergepreßt, wobei ein Teil der Strömungskraft in g durch Reaktion, in g g durch Ak* tion auf die Schaufeln arbeitsleistend übertragen wird. Die restliche Strömungskraft wird in Raum aa, wo sich jetzt die Ein- und Auslaßvorrichtungen schließen, in Druck umgesetzt, bis in Raum α α derselbe Zustand erreicht ist wie in der Zeichnung in Raum α, d. h. bis in α α die Frischluft verdichtet und in α die Ausdehnung beendet ist, worauf aus Raum α der Auspuff und in Raum a a die Zündung und Rückschleuderung des Wassers aus α α nach α beginnt. Nach Beendigung dieses zweiten Ärbeitsaktes beginnt sodann das Spiel aufs neue.

Die verhältnismäßig hohen Stoßverluste in der Turbine, die durch die ungleichförmige Strömungsgeschwindigkeit verursacht werden, gleichen sich dadurch aus, daß der Reibungsweg in der Turbine überaus klein ist und daß ein Auslaßverlust nicht stattfindet, weil die in der Turbine nicht ausgenutzte Geschwindigkeit durch Wiederumsetzung in Druck zur Gemischverdichtung verwendet wird.

Bekannten Maschinen- gegenüber, welche ebenfalls mit durch den Verbrennungsdruck beschleunigten Flüssigkeiten arbeiten, ist diese Turbine und der Schleuderverdichter nach Fig. 2 dadurch im Vorteil, daß die Flüssigkeit auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten nicht zerstäuben kann, sondern unter der Einwirkung des Schleuderzugs immer geschlossen bleibt. ;

Ganz ähnlich ist die Arbeitsweise des Flüssigkeitsschleuderverdichters (Fig. 3), nur ist derselbe einfach wirkend gezeichnet, besitzt also nur einen Verbrennungsraum α, während der andere Raum c als Verdichtungsraum dient. Der Verbrennungsraum α ist mit Raum c durch den Ringraum g verbunden; in letzterem befinden sich nur radiale Schaufeln, durch welche die Zwischenwand / an der Lauftrommel d \ befestigt ist. Turbinenschaufeln fehlen, und der Strömungsquerschnitt ist so bemessen, daß die Strömungsgeschwindigkeit und die Reibungsverluste möglichst klein bleiben. Die ! Ein- und Auslaßvorrichtungen nach Raum a j haben dieselben Bezeichnungen wie in Fig. 2; nach Raum c strömt die Luft durch die Einlaßvorrichtung 7 und verläßt ihn in verdichtetem Zustand durch Achsenkanal 8. Die j Luftverdichtung in c geschieht durch Überströmung der Flüssigkeit b aus Raum α unter Einwirkung des Verbrennungsdruckes, die Flüssigkeitsumkehr nach a, das Ansaugen von Frischluft nach c und die Verdichtung der ί Neuladung in α unter dem Einfluß der Schleuderkraft der jetzt in c höher als in α stehenden Wassersäule.

Da hier nur verhältnismäßig kleine Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, sind die Reibungsverluste gering.

Die wärmewirtschaftlichen Vorteile der Turbine nach Fig. 2 und- des Schleuderverdichters nach Fig. 3 sind dieselben. Wieder werden wie bei der Turbine nach Fig. 1 jeweils hauptsächlich die den Verbrennungsraum unmittelbar umschließenden Wasserschichten erhitzt und während des ersten Teils der Arbeitsleistung der Ladung überhitzt. Sobald nun der der Überhitzung'entsprechende Druck im Verbrennungsraum unterschritten wird, ! beginnt das überhitzte Wasser sich in Dampf zu verwandeln, welcher das weitere rasche Abfallen des Druckes verzögert, so daß der Durchschnittsdruck etwas erhöht wird. Es wird also wieder ein Teil der Kühlwärme unmittelbar zurückgewonnen und zur Arbeitsleistung herangezogen. Die Abkühlungsverluste sind an sich kleiner, weil schon der Wärmeübergang auf das Wasser kleiner ist, ■ als bei Metallwandungen, ferner weil die Weiterleitung durch das Wasser, welches ein schlechter Wärmeleiter ist, und sich unter dem Einfluß der Schleuderwirkung mit den ! schwereren, kälteren Schichten nicht mischen kann, sehr langsam ist. Weiterhin ist in dieser Hinsicht günstig, daß die Oberfläche des Verbrennungsraumes mit fortschreitender Ausdehnung der Ladung langsamer wächst als bei Kolbenmaschinen; da bei Kolbenmaschinen das Volumen nur linear mit dem Kolbenweg, bei dem Verbrennungsraum gemäß der Erfindung dagegen nach dem Quadrat des Radius zunimmt. Außerdem kommen die Verbrennungsgase nicht in dem Maße mit kalten Wandungen in Berührung, da hier die Tefnpe- : ratur des Wassermantels überall eine gleich-

mäßig hohe, und zwar durchschnittlich höhere ist als bei Kolbenmaschinen, während bei letzteren vom Kolben immer kältere Zylinderteile freigelegt werden und auch durch den Kolben selbst eine bedeutende Wärmeabfuhr stattfindet.

Ein direkter Zusammenbau des Schleuderkompressors nach Fig. 3 mit der Turbine nach Fig. ι ergibt eine Gesamtanlage, welche, wie oben beschrieben, mit einem Betriebsstrahl von wechselnder Zusammensetzung arbeitet. Wird zwischen beide ein größerer Aufnehmer geschaltet, so erhält man gleichmäßige, ununterbrochene Verbrennung.

Die Ein- und Auslaßvorrichtungen, also Schieber, Klappen, Ventile, Hähne oder ähnliches, werden gesteuert durch den wechselnden Schleuderzug der Flüssigkeitssäule oder den wechselnden Verbrennungsdruck oder die Druckdifferenz zwischen zwei Verbrennungsräumen oder zwischen Verbrennungsraum und äußerer Umgebung oder durch den bei der Umkehr der Flüssigkeit aus dem einen Raum in den andern erfolgenden Stoß. Hierbei müssen bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und 3 sich die Auspufföffnungen vor dem Einlaß öffnen, damit der Druckausgleich mit der Umgebung durch den Auspuff allein stattfindet und schon beendet ist, wenn die Einlaßöffnungen sich öffnen, wodurch verhindert wird, daß Auspuffgase durch den Einlaß entweichen und die Spülung und Ladung hemmen. Dieses Zusammenwirken der Ein- und Auslaßvorrichtungen kann etwa dadurch erreicht werden, daß die bei 5 zu denkende Auslaßklappe oder sonstige Vorrichtung in irgendeiner Weise während des Ausdehnungstaktes durch die Einwirkung des Druckes der Flüssigkeitssäule geschlossen gehalten und dann selbsttätig geöffnet wird, wenn gegen Ende des Arbeitshubes dieser Druck einen entsprechend kleinen Wert angenommen hat infolge Sinkens der Flüssigkeitssäule im zugehörigen Arbeitsraum. Durch die nunmehr geöffnete

Äuslaßvorrichtung vollzieht sich der Druckausgleich mit der Umgebung, worauf die nun entlasteten Einlaßvorrichtungen ebenfalls selbsttätig sich öffnen. Ein anderer Weg wäre der, den im Innern desjenigen Arbeitsraumes, in welchem eben die Verdichtung der Ladung sich vollzieht, gegen Ende des Hubes herrschenden Druck, der höher ist als der im anderen Arbeitsraum, wo eben die Ausdehnung beendet ist, durch ein geeignetes Zwischenglied auf das Auslaßorgan des letzteren so einwirken zu lassen, daß seine Öffnung bewirkt wird. Außerdem ist es noch denkbar, bei g (Fig. 2 und 3), wo die höchsten Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, der Strömung ein geeignetes bewegliches Organ auszusetzen, welches durch Vermittlung eines Zwischengliedes auf das Auslaßorgan so lange einen die Schließung desselben bewirkenden Einfluß ausübt, als die Strömung aus dem ersten in den zweiten Arbeitsraum andauert. Sobald aber die Bewegungsumkehr erfolgt oder die Strömung nicht mehr stark genug ist, hört dieser Einfluß auf und die Auspuffvorrichtung wird geöffnet. Auch sonst gibt es noch eine Reihe von Möglichkeiten, um die Steuerung der Ein- und Auslaßorgane in den nötigen Einklang mit den,inneren Arbeitsvorgängen zu bringen, die aber alle mit den eben angedeuteten mehr oder weniger verwandt sind und deshalb nichts wesentlich Neues darstellen.

Die Art der Regelung des Flüssigkeitsstandes ist oben auseinandergesetzt. Sie gilt sowohl für Verbrennungskammern gemäß Fig. 1 mit stets gleichbleibendem Flüssigkeitsspiegel als auch für Verbrennungskammern gemäß Fi-g. 2 und 3 mit schwingender Flüssigkeitssäule nur mit dem Unterschied, daß der Wasserzufluß bei letzteren entsprechend den

j Schwankungen der Flüssigkeitssäule während des einzelnen Arbeitstaktes hinsichtlich der in der Zeiteinheit zuströmenden Menge ebenfalls regelmäßigen Schwankungen unterworfen ist.

Die Fortsetzung der achsialen Zuleitung in radialer Richtung ist in Fig. 1 Ziffer 9 gezeichnet, in Fig. 2 und 3 dagegen fortgelassen. Eine Leistungssteigerung wird noch erzielt, wenn ■ an die Maschinen ein Kondensator angeschlossen wird, in welchem durch Kondensation des Dampfgehalts der Abgase und durch Hinausschaffung der gasförmigen Verbrennungsrückstände vermittels Gebläse, Pumpe oder Schleuderverdichter ein gewisser Unterdruck erzeugt wird, welcher bei den Maschinen nach Fig. 2 und 3 die Spülung und Ladung des Verbrennungsraumes mit Frischluft erleichtert und verbessert. Letzteren Zweck, nämlich die Unterstützung des Spül- und Ladevorganges, kann statt des Kondensators mit Pumpe auch ein dem Verbrennungsraum vorgeschaltetes Gebläse, erfüllen, welches die Ladung und Spülluft mit einem gewissen Überdruck anliefert. Besonders wichtig ist der Anschluß eines Kondensators auch dort, wo es auf Rückgewinnung des Speisewassers ankommt, also insbesondere auch bei Schiffsantriebsmaschinen, wozu sich die beschriebenen Maschinen besonders eignen, da sie, wie die Dampfturbine, in ihrer oberen Leistungsgrenze beinahe unbeschränkt sind und wegen des Fehlens des Kessels noch weniger Raum beanspruchen als diese.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Verbrennungsraum mit innerem Flüssigkeitsmantel, insbesondere für Verbrennungs-

   turbinen und Flüssigkeitsschleuderverdichter, dadurch gekennzeichnet, daß einem im wesentlichen allseitig geschlossenen hohlen Rotationskörper durch die Achse Wasser oder sonst eine geeignete Flüssigkeit zugeführt und durch radiale Weiterleitung im Betrieb an der Umlaufsbewegung teilzunehmen gezwungen wird, so daß die Zuleitung eine Schleuderpumpe darstellt, welche gegen den im Innern des umlaufenden Rotationskörpers herrschenden Flüssigkeits- und Verbrennungsdruck arbeitend, so viel Flüssigkeit in den Rotationskörper liefert, daß sich dieselbe in bekannter Weise unter dem Einfluß der Fliehkraft als Hohlzylinder von gewünschtem Durchmesser des Hohlraumes an die feste Wandung des Rotationskörpers anschließt und so den eigentlichen Verbrennungsraum umschließt.

   Hierzu i Blatt Zeichnungen,