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Titel: Kraftmaschine mit Gasturbine
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Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Kraftmaschine mit Gasturbine,
bei der eine Mischung von Luft und Fluidum-Brennstoff, eine Verbrennung der Mischung
und anschließend daran die von den anfallenden Verbrennungsgasen getriebene Gasturbine
vorgesehen sind.
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Der Fluidum-Brennstoff ist wahlweise gasförmiger oder flüssiger Brennstoff.
Die Kraftmaschine dient z.B. dem Antrieb eines Generators. Der gasförmige Brennstoff
ist z.B. Erdgas oder Buz.B.
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tan. Als flüssiger Brennstoff lassen sichrHeizöl, Kerosin, Benzin,
Schweröl, gereinigtes Altschmieröl oder Sonnenblumenöl verwenden. Die Kraftmaschine
bildet mit all ihren Bestandteilen eine Einheit.
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Bei einer üblichen, Turboprop-Maschine genannten Kraftmaschine dieser
Art werden komprimierte Luft und Brennstoff in eine Brennkammer eingebracht, in
der beständig Verbrennung erfolgt. -Die expandierenden Brenngase werden einer Turbine
zugeführt, die einen Propeller zum Antrieb eines Flugzeuges betreibt, und
treten
dann aus einem Auslaß aus der Maschine aus. Bei dieser Maschine wird der Brennwert
des Brennstoffes nicht ausreichend gut ausgenutzt, fällt Wasser an und fallen Rückstandsgase,
z.B.
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Schwefel an und expandiert das Gas bei der Verbrennung nicht befriedigend
stark.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Ausnutzung des Brennwertes
des Brennstoffes durch eine beachtlich erhöhte Verbrennungstemperatur zu verbessern.
Die Erfindung sieht, diese Aufgabe lösend, eine Kraftmaschine der eingangs genannten
Art vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Einrichtung zum Zusammenbringen
von in zerstäubter Form befindlichem Brennstoff und der Luft eines Luftstromes,
an diese Einrichtung anschließend eine Mischkammer zur intensiven Vermischung der
Brennstoff-Teilchen und der Luft und daran anschließend eine Brennkammer zur Verbrennung
der Mischung unter Anwesenheit von Wasser und eine Vergasereinrichtung zur Erhitzung
der Mischung vor Eintritt in die Brennkammer mittels der in der Brennkammer anfallenden
Hitze vorgesehen sind.
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Besonders wichtig für die Erfindung ist, daß die Mischung des zerstäubten
bzw. verdampften bzw. gasförmigen Brennstoffes und der Luft des Luftstromes in ein
Zusammenbringen von Luft und Brennstoff einerseits und ein nachfolgendes in sich
Verquirlen bzw. Feinmischen dieser Vormischung unterteilt ist. Die Ziele und Zwecke
der Erfindung werden nämlich um so besser erreicht, je besser, je homogener, je
inniger Luft und Brennstoff bei möglichst
kleinen Brennstoffteilchen
miteinander vermischt sind.
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Hierzu genügt es nicht, den Brennstoff nur in die Luft hinein -zumischen.
Vielmehr ist eine gesonderte Einrichtung für eine intensive Durchmischung nötig.
Bestandteil dieser gesonderten Einrichtung ist die vorher erwähnte Mischkammer.
Weiterhin wird die Mischung vor dem Verbrennen nochmals erhitzt, um eine bessere
Vergasung zu erreichen. Alle diese Maßnahmen wirken zu der erwünschten höheren Verbrennungstemperatur
zusammen.
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Die Vergasereinrichtung verhindert nicht nur das Durchschlagen des
Brennvorganges in die Mischkammer und ermöglicht dennoch den Durchtritt der Mischung
in die Brennkammer, sondern bewirkt auch eine Vergasung des Brennstoffes, d.h. eine
noch feinere Verteilung der Brennstoffteilchen und eine innige Mischung der feinen
Teilchen mit der Luft. Bei dem Durchtritt durch die Durchlässe bzw. Kanäle der Vergasereinrichtung
werden Brennstoff und Luft aufgeheizt und werden die Brennstoffteilchen in einen
für die Verbrennung geeigneten Zustand gebracht. Die Verbrennungstemperatur liegt
stets über 1500 0C. Wenn ein bestimmtes System in ein und derselben Weise einmal
mit einer herkömmlichen Kraftmaschine und ein anderes Mal mit der erfindungsgemäßen
Kraftmaschine betrieben wird, dann lassen sich Einsparungen an Öl in erheblichem
Umfang erreicflerl.
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Bei einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine werden die Brennstoffteilchen
möglichst klein aufbereitet, da sie dann inniger mit der Luft zusammenkommen, und
wird so eine Flamme mit höherer
Temperatur erreicht. Der Brennstoff
wird in feiner Form vergast.
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Es ist zu vermuten, daß in einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine Wasserstoff
aufgespalten wird; diese Ansicht wird dadurch be-0 stärkt, daß Verbrennungstemperaturen
bis zu 3000 C erreicht werden und im Abgas kein oder nur wenig Wasser ist. Es erfolgt
eine rückstandsfreie Verbrennung, d.h. es fällt nur reine Luft an, so'daß ein Kaminsog
aus der Brennkammer nicht mehr erforderlich ist. Die Vergasereinrichtung, die die
Feinvergasung bewirkt, wird durch die Verbrennung erhitzt und in der Vergasereinrichtung
herrscht vorzugsweise von der Brennkammer zur Mischkammer ein Temperaturgefälle.
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Es ist denkbar, die Mischung durch ein Bündel von Rohren in die Brennkammer
zu führen und die Rohre um die Brennkammer herum zu legen oder in einen Wärmetauscher
zu integrieren, so daß die in der Brennkammer erzeugte Hitze zur Aufheizung und
intensiven Vergasung der Mischung verwendet wird. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft
ist es jedoch, wenn die Mischkammer und die Brennkammer durch ein Vergaserstück
getrennt sind, das auf der Seite der Mischkammer vom Druck der Brennstoff-Luft-Mischung
belastet ist, wobei das Vergaserstück über seine Durchtrittsfläche verteilt feine
längliche Durchlässe durch das Vergaserstück aufweist und so dick ist, daß eine
Zündung von der Brennkammer in das und durch das Vergaserstück hindurch in die Mischkammer
nicht stattfindet.
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Mit diesem Vergaserstück werden die erfindungsgemäßen Ziele, Zwecke
und Wirkungen besonders gut erreicht. Die Kraftmaschine
weist dabei
eine Brenneinrichtung für Fluidum-Brennstoff auf, bei der eine Einrichtung zum Zusammenbringen
von in zerstäubter Form befindlichem Brennstoff und der Luft eines Luftstromes,
an diese Einrichtung anschließend eine Mischkammer zur intensiven Vermischung der
Brennstoff-Teilchen und der Luft und daran anschließend eine Brennkammer zur Verbrennung
der Mischung unter Anwesenheit von Wasser vorgesehen sind.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Mnschkammern, ein
ringförmiges Vergaserstück und eine ringförmig gestaltete Brennkammer konzentrisch
angeordnet und strömt die zu vergasende Mischung von der mittigen Mischkammer durch
den Vergaserring in die umschließende ringförmige Brennkammer. Wichtig ist in jedem
Fall, daß durch das Vergaserstück nicht etwa nur flüssiger Brennstoff sondern die
intensive Vermischung von Luft und zerstäubten Brennstoff hindurchtritt.
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Es ist denkbar, das Vergaserstück aus einem von Natur aus porösen
Werkstoff zu fertigen, wobei dann die Durchlässe einen verschlungenen Verlauf haben.
Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Durchlässe des Vergaserstückes
gerade, künstlich erzeugte Kanäle sind. Es lassen sich so in vereinfachter Weise
über die gesamte Fläche des Vergaserstückes gleichförmige Verhältnisse einstellen.
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Die Durchlässe müssen eine gewisse Länge haben, indem z.B. die Länge
um ein vielfaches größer ist als die Dicke, da sonst der
Brennvorgang
in die Mischkammer durchschlägt, das erwünschte Wärmegefälle nicht vorhanden ist
und die Vergasung in den Durchlässen nicht stattfindet. Der Durchmesser der Durchlässe
beträgt z.B. von 0,4 bis 2 mm. Die Dicke des Vergaserstückes ist vom Maerialdämmwert
abhängig und durch die Länge der Durchlässe bedingt und beträgt z.B. mindestens
6 mm. Das Vergaserstück besteht z.B. aus Keramik und sollte Temperaturen bis zu
30000C aushalten.
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Es wird nicht voll auf die Verbrennungstemperatur aufgeheizt, da es
von der Mischkammer her gekühlt ist.
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Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es auch, wenn die Mischkammer
und das Vergaserstück im Querschnitt rund sind. Diese Gestaltung erleichtert es,
über den gesamten Querschnitt des Vergaserstückes gleichmäßige Verhältnisse zu erzielen,
was die Verbrennung des Brennstoffes verbessert. Auch die Brennkammer ist in der
Regel im Querschnitt rund, wodurch die Herstellung der Kraftmaschine vereinfacht
ist und die Führung des Gasgemisches verbessert ist. Die Brennkammer kann aber auch
einen eckigen Querschnitt haben.
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Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Wandung
der, vorzugsweise von dem Vergaserstück begrenzten, Brennkammer aus einem Werkstoff
besteht, der Temperaturen bis mindestens 70000C aushält. Eine erfindungsgemäße Kraftmaschine
kann nämlich so betrieben werden, daß Brenntemperaturen dieser Höhe auftreten. Als
Werkstoff werden z.B. Siliziumnitr.it oder Quarzverbindungen verwendet. In der Brennkammer
wird in der Regel
eine Mindesttemperatur von ca. 15000C herrschen.
Jedoch sind Temperaturen von 18000C und mehr vorzugsweise mindestens 22000C bevorzugt.
Wichtig ist, daß die Vergasereinrichtung einseitig ausreichend heiß ist, da diese
Einrichtung der eigentliche Vergaser für den verdampften oder gasförmigen Brennstoff
ist.
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Die erfindungsgemäße Kraftmaschine wird in der Regel so betrieben,
daß der Druck in der Mischkammer vor der Vergasereinrichtung und vor dem Vergaserstück
bei Betrieb niedriger ist als der Druck in der Brennkammer. Der Druck in der Mischkammer
beträgt z.B. 6 mbar. Dies ist bemerkenswert, weil die Luft-Brennstoff-Mischung durch
das Vergaserstück aus einer Kammer niedrigeren Druckes in eine Kammer höheren Druckes
wandert. Es bestehen wohl Zusammenhänge zwischen den erwähnten Druckverhältnissen
und der Bewegung bzw. Strömung der Brennstoff-Luft-Mischung im Brenner. Allerdings
wird durch die Verbrennung in der Brennkammer auch durch die Durchlässe hindurch
eine Sogwirkung in die Mischkammer ausgeübt.
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Bei einer Ausführungsform erstreckt sich das Vergaserstück mit den
gleichmäßig verteilten Durchlässen im wesentlichen über die gesamte Fläche einer
eine Dimension der Brennkammer bildenden Wandung. Damit ist gemeint, daß sich die
Vergaserplatte über den gesamten Querschnitt der zylindrischen Brennkammer erstreckt
oder sich über den gesamten Innenmantel einer ringförmigen Brennkammer erstreckt.
Hierdurch wird die Mischung dem gesamten Innenraum. der Brennkammer gleichmäßig
verteilt zugeführt, was
gleichmäßige Gas expansion und erhöhte
Brenntemperatur ergibt.
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Bei der hier zur Rede stehenden Kraftmaschine ist die Brennkammer
relativ klein, d.h. in der Größenordnung so groß wie die Mischkammer. Die zu verbrennende
Mischung wird also in der Bannkammer zusammengehalten und kann nicht vor dem Verbrennen
expandieren, was ebenfalls zum Erreichen hoher Temperaturen beiträgt.
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Der Brennkammer wird die Mischung zum Verbrennen fertig gemischt zugeführt
und in der Brennkammer wird nichts beigemischt.
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Die erfindungsgemäße Kraftmaschine wird in der Regel mit üblichem
Heizöl betrieben, das Wasser enthält bzw. bei dessen Verbrennung Wasser anfällt.
Es ist möglich, Wasser zuzusetzen, das z.B. in den Brennraum eingespritzt wird.
Der Betrieb der erfindungsgemäßen Kraftmaschine ist abluftseitig bzw. nach der Verbrennung
von der Umweltatmosphäre unabhängig und der Kraftmaschine kann auch verdichtete
Luft zugeführt werden Es ist auch denkbar, die Zuluft mit Sauerstoff anzureichern
bzw. dreiwertigen Sauerstoff zuzusetzen.
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Es ist denkbar, die Brennstoff-Luft-Mischung ausschließlich gradlinig
strömen auf das Vergaserstück treffen zu lassen. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft
ist es jedoch, wenn eine Einrichtung zur Erzeugung einer säulenartigen, sich quer
zur Strömungsrichtung um sich selbst drehenden Strömung der Brennstoff-Luft-Mischung,
die dem Vergaserstück zuströmt, vogesehen ist. Diese Strömungsrotation, bei der
sich ein Gasteilchen entlang einer Wendel bewegt, bringt eine Verbesserung der Mischung
des Brennstoffes
mit der Luft schon vor dem Vergaserstück, verbessert
die Vergasung des Brennstoffes und setzt sich auch durch das Vergaserstück in die
Brennkammer fort. Die Gase in der Brennkammer strömen also nicht nur vorwärts, sondern
rotieren auch quer zur Strömungsrichtung, was die Wirkung des Vergaserstückes und
die Verbrennung im Brennraum verbessert. Wegen der Rotation der Strömung ist der
kreisförmige Querschnitt der einzelnen Kammern des Brenners wichtig. Der sich drehende
Luft- bzw. Gasstrom läßt sich z.B. erzeugen, indem die zunächst nur geradlinige
Stn} mung in einen Strömungskanalabschnitt gedrückt wird, dessen Wandung schnecken-
bzw. wendelartig gestaltet ist, um so die Strömung in Drehung zu versetzen.
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Es ist möglich, zur Erzeugung der sich drehenden Strömung einen abgewandelten
Radiallüfter vorzusehen, der eine die Drehachse umschließende, in Strömungsrichtung
gewandte Auslaßöffnung und gegenüber der Auslaßöffnung eine umlaufende gewölbte
ringförmige Führungswand aufweist. Dies ist eine einfache und doch wirksame Einrichtung
zur Erzeugung der sich drehenden Strömung.
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Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es auch, wenn mit Abstand
vom Vergaserstück quer zu dem Strömungskanal der sich drehenden Luftströmung eine
Lochplatte angeordnet ist. Da die Strömung rotierend durch die Lochplatte hindurchtritt,
werden Brennstoff und Luft inniger miteinander vermischt. Die Lochung ist über die
Lochplatte gleichmäßig verteilt und die Löcher gehen in der Regel geradlinig durch
die Lochplatte. Der. Durchmesser der Löcher der Lochplatte ist in der Regel größer
als der
Durchmesser der Durchlässe des Vergaserstückes und kleiner
als der Durchmesser der Durchbrüche zwischen Brennkammer und Heizkammer.
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Es ist möglich, zunächst eine Vormischung von Luft und Brennstoff
herzustellen und diese dann in eine Drehung um sich selbst zu versetzn. Besonders
zweckmäßig und vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Einrichtung zur Zufuhr des Brennstoffes
der Einrichtung zur Erzeugung der um sich selbst drehenden Strömung nachgeordnet
ist. Hierbei wird schon beim Zusammenbringen von Brennstoff und Luft die Verteilung
des Brennstoffes in der Luft verbessert.
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Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der Mischkammer
eine Durchtrittsdüse mit sich in Strömungsrichtung verengendem Querschnitt zugeordnet
ist. Diese Düse verbessert die Vermischung, homogenisiert die Mischung und erhöht
die Strömungsgeschw indigkeit.
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Es ist möglich, die Brennkammer innerhalb der Kraftmaschine ortsfest
anzuordnen und die Turbine vor der Brennkammer vorzusehen und die Welle der Turbine
durch die Brennkammer hindurchzuSühren, was wegen der hohen Temperaturen der Brermkammer
besondere Schwierigkeiten mit sich bringt. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft
ist es daher, wenn die Brennkammer drehbar gelagert ist und mit der Gasturbine fest
verbunden ist. Bei dieser Anordnung brauchen die Welle der Turbine und die Lager
der Welle nicht
der Hitze der Brennkammer und der Verbrennungsgase
ausgesetzt zu werden, sondern können außerhalb dieses Hitzebereiches angeordnet
werden.
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Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Austrittsöffnung
der Brennkammer gleicher Weise die Eintrittsöffnung der Gasturbine ist. Dies ist
eine kompakte Bauweise die besonders bei rotierender Brennkammer vorteilhaft ist.
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Die Erfindung sieht für eine Kraftmaschine auch vor, daß sie als Brenner
eines Wärmetauschers verwendet ist. Die von der Kraftmaschine erzeugte Wärme wird
nicht weggekühlt, sondern verwertet.
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Obwohl sich mit dem erfindungsgemäßen Brenner völlig neuartige Ofenkonstruktionen
verwirklichen lassen, ist es doch besonders zweckmäßig und vorteilhaft, wenn der
Brenner bei einer üblicheS öl- oder gasbetriebenen, wassererhitzenden Kesselanlage,
in deren Ofenraum ragend angewendet ist. Es können also bei schon vorhandenen Kesselanlagen
die bisher vorhandenen Brenner durch erfindungsgemäß ausgebildete Brenner ausgetauscht
werden, wobei die erfindungsgemäßen Brenner als rohrartige Gebilde gestaltet sein
können.
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Da beim erfindungsgemäßen Brenner nach der Verbrennung nur schadstoffreie
und wasserfreie Luft anfällt, kann er an sich ohne Kamin betrJ.ct,on w-rden. Aus
der Heizkammer des Wärmetauschers
kann diese Luft bzw. das Abgas
in die an den Ofen anschließende Umgebung abgelassen werden. Es ist keine Absaugung,
also kein Kaminsog nötig, da das Gas von der Mischkammer her unter Druck durch den
Brenner wandert und den Brenner bzw. den Wärmetauscher unter erhöhtem Druck verlassen
kann. Der Brenner wird in sogenannten Heizperioden ständig brennen bzw. laufen,
d.h. dann wenn er gebraucht wird, wird er hochgedreht bzw. auf hohe Heizleistung
gebracht, und dann, wenn er nicht gebraucht wird, wird er gedrosselt bzw. auf niedrige
Heizleistung gebracht.
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Bei niedriger Heizleistung ist der Brennstoffverbrauch weit niedriger
als bei üblichen Brennern, da die Heizleistung stufenlos anpaßbar ist und eine Taktschaltung
entfällt. Wenn der Brenner angelassen wird, d.h. noch nicht heiß ist bzw. die erwünschte
hohe Betriebstemperatur noch nicht hat, kann unvollständige Verbrennung mit Schadstoffen
und Wasser in den Abgasen auftreten.
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Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es auch, wenn die Turbine
mit den Zufuhrgeräten des Brenners treibend gekoppelt ist.
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Zu den Zufuhrgeräten gehören z.B. eine Pumpe für den Brennstoff oder
eine Pumpe für die Luft. Die Kraftmaschine kann sich also, wenn sie einmal läuft,
selbst versorgen, was besonders bei einem Brenner wichtig ist.
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Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es dabei, wenn beim Brenner
ein bei Antrieb durch die Gasturbine als Generator wirkender Elektromotor angewendet
ist. Dieser Generator liefert
Strom nicht nur für den Betrieb des
Generators sondern auch in ein Netz.
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Die Brennkammer selbst kann Bestandteil eines Wärmetauschers sein.
Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es jedoch, wenn sich an die Brennkammer
über ein durchlochtes Wandstück ein Wärmetauscher mit Heizkammer anschließt. Über
die Löcher strömt heiße Luft in den Heizraum des Wärmetauschers und die Wärmeenergie
der heißen Luft geht durch die Wandung des Heizraumes z.B. auf zirkulierendes Wasser
über. Die Trennung von Brennkammer und Heizkammer bedingt eine einfache Bauweise.
Die Brennkammer kann z.B. halbkugelförmig, kugelig oder parabolisch gestaltet sein.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Luft strömung in
einem Strömungskanal erzeugt und ist in dem Strömungskanal mittig eine Zerstäubungsdüse
angeordnet, welche den Brennstoff in Strömungsrichtung in den Luftstrom sprüht.
Es ist jedoch schwierig, mit einer Zerstäubungsdüse kleine Brennstoffmengen zu zerstäuben.
Es ist auch denkbar, den flüssigen Brennstoff mit einer Ultraschalleinrichtung zu
zerstäuben.
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Wenn der Mischkammer ein mit einer Heizeinrichtung versehener Verdampfer
für den Brennstoff vorgeordnet ist, lassen sich feinere Brennstoffteilchen erzielen
und erfolgt beim Zusmmenbringen von Brennstoff-Dampf und Luft eine intensivere Vormischung
von Brennstoff und Luft. Wenn bei dem Verdampfer eine Steuerung einer Brennstoffzufuhr
in einem Behälter vorgesehen ist und in dem Behälter ein aus den Brennstoff ragendes
poröses
beheiztes Verdampferstück vorgesehen ist, ist ein einfacher, wirksamer und leicht
steuerbarer Verdampfer gegeben.
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Wenn der Verdampfer in der Luftströmung liegt, dann saugt die Luftströmung
die erforderliche Menge an Brennstoff-Dampf aus dem Verdampfer. Deshalb wird der
Verdampfer im Strömungskanal für die Luft angeordnet. Es genügen Austrittsöffnungen
an der Oberseite des Verdampfers, wenn ein rotierender Luftstrom den Verdampfer
umschließend an diesem vorbei streicht.
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Der erfindungsgemäße Vergaser arbeitet ohne Überdruck. Nach der Dimensionierung
der Anteile von Luft und Brennstoff (Grobmischung) erfolgt die Homogenisierung.
Die Luft wird so geführt, daß sie sich den Brennstoffdampf selbst holt. Wichtig
ist, daß die Luft-Brennstoff-Mischung homogenisiert an dem Vergaserstück anlangt
und über dessen Querschnitt mit gleichem Druck auf dieses trifft.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein zündfähiges Gemisch herzustellen
durch z.B. das Verdampfen eines flüssigen Brennstoffes und diesem Nebel mit der
von außen zugeführten Frischluft zu vermengen und mit vorgegebenem Druck dieses
zündfähige Gemisch durch die einseitig erhitzte Vergaserplatte zur Verbrennung in
die Brennkammer zuzuführen. In den Kanälen der Vergaserplatte wird das Brennstoff-Luft-Gemisch
von Dampf in gasförmigen Zustand umgewandelt. Je nach Ausführungsart kann die Vergaserplatte
entweder feststehend sein oder aber mit der
Brennkammer rotieren.
In der Brennkammer befindet sich in einem gut vermischten stöchiometrischen Verhältnis
das zündfähige Gemisch, welches mittels einer Zündelektrode unter Einwirkung von
Hochspannung zur Entzündung gebracht wird.
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Die Brennkammer selber befindet sich in einem rotationssymmetrischen
Zustand auf einer drehbar gelagerten Achse.
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Die in der Brennkammer brennenden Gase expandierenden durch Austrittsöffnungen,
gestaltet als radial angeordnete Düsen, mit tangentialem Strömungsaustritt aus.
Mit zunehmender Drehzahlsteigerung werden durch die im inneren Durchmesser der Brennkammer
angebrachten Lufteintrittsschlitze, die auch hier radial tangential angeordnet sind,
jedoch in umgekehrter Strömungsrichtung, eine Verdichtung der Ansauggase durchführen,
so daß auch wiederum in der Brennkammer ein erhöhter Druck entsteht, der nach außen
freigegeben wird. Dies setzt sich somit kontinuierlich fort, so daß bei einer bestimmten
Drehzahl der Gleichgewichtszustand zwischen strömenden Gasen und Einlaufenergie
hergestellt wird. Die hierbei austretenden heißen Gase können zur Erwärmung von
Wärmetauschern, wie sie z.B. in Heizöfen üblich sind, verwendet werden. Durch die
Rotation auf der Achse wird weiterhin die in dem System erzeugte kinetische Energie
abgenommen, in der Form, daß mit der Achse direkt gekoppelt eine Last z.B. ein Stromerzeuger
vorgesehen ist, dessen elektrische Leistung je nach Belastung die Drehzahl des Systems
regelt. Weiterhin können auf der gleichen Achse rotierende Strömungsverdichter (rotierende
Kompressoren) angetrieben werden, die bereits eine Vorladung
des
einströmenden Luft-Gas-Gemisches in die Brennkammer vornehmen.
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In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt
und zeigt Fig. 1 in einem Längs schnitt eine Kraftmaschine mit Gasturbine, Fig.
2 einen Schnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 in einem Längsschnitt eine weitere
Kraftmaschine mit Gas turbine, Fig. 4 in einem Längsschnitt einen Teil einer dritten
Kraftmaschine mit Gasturbine und Fig. 5 in einem Längsschnitt einen Teil einer vierten
Kraftmaschine mit Gasturbine.
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Die Kraftmaschine gemäß Fig. 1 und 2 ist ein rohrartiges Gebilde,
das von hinten bis vorne kreisförmige Außenabmessungen aufweist. Am hinteren Ende
der Maschine sitzt ein Elektromotor 1, der über elektrische Leitungen 2 an ein Spannungsnetz
angeschlossen ist. Wenn der Motor angetrieben wird, dann wirkt er als Stromerzeugungsgenerator.
Dem Eiektromotor 1 ist eine nicht gezeigte elektrische Steuereinrichtung zugeordnet,
um die Kraftmaschine und deren Brenneinrichtung in Abhängigkeit von verschiedenen
Betriebsgrößen optimal zu steuern. Der Elektromotor 1 bzw. Generator sitzt am hinteren
Ende eines Gehäuseteiles 3, das sich nach vorne hin im Querschnitt konisch verjüngt.
Das Gehäuseteil 3 weist am hinteren Ende über
einen Kreis verteilt
Luftzutrittsöffnungen 4 auf.
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Vor den Luftzutrittsöffnungen 4 und dem Elektromotor 1 ist im Gehäuseteil
3 eine Kompressorturbine 5 angeordnet, die vom Elektromotor 1 über eine Welle 31
getrieben wird. Die Kompressorturbine 5 befindet sich am Beginn des konischen Teiles
10 des Gehäuseteiles und erstreckt sich über dessen gesamten Querschnitt und erzeugt
eine Luftsäule, die sich dreht. Diese sich um sich selbst drehende Luftsäule wird
im konischen Gehäuseteil komprimiert und in der Strömungsgeschwindigkeit erhöht.
In dem konischen Gehäuseteil 10 sind um deh Umfang herum Gaseinströmdüsen 9 angeordnet,
durch die gasförmiger oder verdampfter Brennstoff zutritt.
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Die Düse bzw. der konische Teil 10 gehört mit dem Ende zu einer Mischkammer
17, in der vor der Düse im Strömungskanal eine Lochplatte 18 angeordnet ist. Es
schließt sich hier an das konische Gehäuseteil 3 ein zylindrisches Gehäuseteil 19
an, das die Lochplatte 18 aufnimmt. Diese weist Löcher 20 auf und wird von der rotierenden
Mischungs-Strömungs-Säule passiert, die dann auf eine weitere Lochplatte 32 bzw.
Mischscheibe trifft. Die Welle 31 ragt durch die beiden Lochplatten 18, 32 hindurch.
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An die zweite Lochplatte 32 schließt sich ein Drehgebilde an, das
von der Welle 31 getragen ist und das in axialer Fortsetzung rund um die Welle einen
Bereich 33 der Mischkammer 17
bildet. Der Mischkammer-Bereich 33
ist nach vorne hin von einer Stirnwand 34, entlang einem zylindrischen Mantel von
einem zylindrischen Vergaserstück 21 und nach hinten von der zweiten Lochplatte
32 abgegrenzt und zwischen dem ortsfesten und dem beweglichen Teil dieses Kammer-Bereiches
ist eine Dichtung 35 vorgesehen.
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Das Drehgebilde weist um den Mischkammer-Bereich 33 herum eine ringförmige
Brennkammer 26 auf, die nach innen von dem zylindrischen Vergaserstück 21 begrenzt
ist, nach außen von einem zylindrischen Außenmantel 27, nach vorne von der Stirnwand
und nach hinten von einer Ringscheibe begrenzt ist. Das Vergaserstück 21 ist dicker
als die Lochplatte 18 und weist feine Durchlässe 25 auf. Das Drehgebilde mit der
Brennkammer 26 ist im Heizraum eines Wärmetauschers 28 angeordnet, der nur eine
Auslaßöffnung 29 aufweist.
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An der Innenseite des zylindrischen Vergaserstückes 21 sind Ansaugdüsen
36, die in Drehrichtung gesehen vorne relativ große Öffnungen aufweisen und sich
dann in Umfangsrichtung (in Drehrichtung gesehen nach hinten) kanalartig fortsetzen
und im Querschnitt verringern. Es sind vier Ansaugdüsen 36 vorgesehen, von denen
sich jede über etwa 900 erstreckt. Die Ansaugdüsen mit den kanalartigen Fortsätzen
nehmen aufgrund ihrer Rotation die Mischung im Mischkammer-Bereich 33 auf und führen
sie den Durchlässen 25 zu.
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Das Drehgebilde weist am Außenumfang verteilt Austrittsdüsen 37 auf,
die sich tangential zum Umfang des Drehgebildes erstrecken und durch welche die
Verbrennungsgase aus der Brennkammer 26 in die Heizkammer des Wärmetauschers 28
treten. Die expandierenden Verbrennungsgase treten aus den Austrittsdüsen 37 strahlenartig
aus und versetzen das Drehgebilde und damit die Welle 31 in Drehung.
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Die rotierende Ringscheibe des Drehgebildes bzw. der Brennkammer 26
ist gegen die ruhende hintere Wandung des Wärmetauschers 28 mittels einer Dichtung
38 abgedichtet. An der Ringscheibe sind in die Brennkammer 26 ragend Elektroden
23 und an der Außenseite eine Zündspule 22 vorgesehen, die über elektrische Leitungen
24 und einen nicht gezeigten Schleifer an das Spannungsnetz angeschlossen ist.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist ein längliches rohrartiges Gebilde,
das von hinten bis vorne kreisförmige Außenabmessungen aufweist. Am hinteren Ende
der Kraftmaschine sitzt ein Elektromotor 1, der über elektrische Leitungen 2 an
ein Spannungsnetz angeschlossen ist. Dem Elektromotor 1 ist eine nicht gezeigte
elektronische Steuereinrichtung zugeordnet, um den Brenner in Abhängigkeit von verschiedenen
Betriebsgrößen optimal zu steuern. Der Elektromotor 1 sitzt am hinteren Ende eines
Gehäuseteiles 3, das sich nach vorne hin im Querschnitt konisch verjüngt. Das Gehäuseteil
3 weist am hinteren Ende über den Umfang verteilt Luftzutrittsöffnungen 4 auf.
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Vor den Luftzutrittsöffnungen 4 ist im Gehäuseteil 3 ein abgeänderter
Radiallüfter 5 (Verdichter) angeordnet, der vom Elektromotor 1 über eine Welle 31
getrieben wird. Die Luft tritt in den Radiallüfter über einen mittigen bzw. axialen
Einlaß ein. Nach vorne hin ist der Lüfter durch eine mit dem Lüfterrad umlaufende
Wandplatte abgeschlossen. Am Außenumfang des Radiallüfters ist eine ringförmige
Führungswand 6 vorgesehen, die in dem gezeigten Querschnitt gewölbt ist und die
radial nach außen getriebene Luft rund um die Mittelachse des Radiallüfters in axiale
Richtung nach vorne umlenkt. Aus dem Radiallüfter 5 tritt durch eine ringförmige
Auslaßöffnung 7 also eine Luftströmung aus, welche die Gestalt eines dicken Zylindermantels
hat, der sich um sich selbst dreht.
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Dieser Zylindermantel wandert in dem sich verjüngenden Gehäuseteil
3 vorwärts, wodurch der von Luftströmung freie, "hohle" Kern im Durchmesser verkleinert
wird und die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird.
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In dem von dem Gehäuseteil 3 gebildeten Strömungskanal ist mittig
ein Verdampfer 8 hinter dem Radiallüfter 5 angeordnet.
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Am vorderen Ende des Verdampfers 8 an dessen Umfang ist ein Auslaß
9 zur Abgabe von Brennstoff-Dampf vorgesehen, der in die Luftströmung eintritt und
von dieser mitgenommen wird.
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Der nun aus einer Mischung von Luft und Brennstoff bestehende Strömungsmantel
gelangt an eine Düse 10 mit sich konisch verjüngendem Querschnitt. In dieser Düse
10 wird die Strömung von einem Gebilde in Form eines Zylindermantels zu einem
Gebilde
in Form einer Säule zusammengedrückt.
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Der Verdampfer 8 umfaßt einen sich von hinten nach vorne konisch verjüngenden
Behälter, dem an der vorderen Stirnwand über einen Einlaß 11 Luft zugeführt wird.
über eine Zuleitung 12 wird dem Behälter flüssiger Brennstoff zugeführt, der den
Behälter bis zu einem Pegel 13 füllt. Eine Steuereinrichtung 30 sorgt dafür, daß
stets der gleiche Flüssigkeitspegel 13 eingehalten ist, und ist z.B. als übliches
Schwimmerventil ausgebildet. In dem Behälter sind Verdampferstücke 14 vorgesehen,
die als längliche Stäbe ausgebildet sind, von denen nur einer gezeigt ist. Die Verdampferstücke
14 tauchen in den flüssigen Brennstoff ein und ragen aus diesem heraus. Sie sind
porös bzw. mit einer Kapillarstruktur versehen, so daß der flüssige Brennstoff an
den herausragenden Bereich der Verdampferstücke aus diesen in Form von Dampf austritt.
Dies wird gefördert durch eine elektrische Heizwendel 15, die jedes Verdampferstück
durchsetzt und über elektrische Leitungen 16 an das Spannungsnetz anschließbar ist.
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Die Düse bzw. das konische Teil 10 gehört mit dem Ende zu einer Mischkammer
17, in der vor der Düse im Strömungskanal eine Lochplatte 18 angeordnet ist. Es
schließt sich hier an das konische Gehäuseteil 3 ein zylindrisches Gehäuseteil 19
an, das die Lochplatte 18 aufnimmt. Diese weist Löcher 20 auf und wird von der rotierenden
Mischungs-Strömungs-Säule
passiert, die dann auf eine Vergaserplatte
21 trifft.
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Die Vergaserplatte 21 ist dicker als die Lochplatte 18 und weist feine
Durchlässe 25 auf. Sie begrenzt nach hinten hin eine Brennkammer 26, die im Querschnitt
rund ist und deren Wandung von wärmeisolierendem Werkstoff gebildet ist und ein
Gehäuseteil des Brenners darstellt. Die Brennkammer 26 ist nach vorne hin von einem
durchlochten Stirnwandstück 27 begrenzt. Am Mantel der Brennkammer 26 ist außen
eine Zündspule 22 vorgesehen, die Zündelektroden 23 in der Brennkammer speist und
über elektrische Leitungen 24 an das Spannungsnetz angeschlossen ist. In der Brennkammer
sind nicht gezeigte Überwachungseinrichtungen vorgesehen, die den Brennvorgang bzw.
dessen Vorhandensein überwachen. Diese Einrichtungen sind an die besonders hohen
Temperaturen des vorliegenden Brenners angepaßt, indem sie z.B. auf Ionisationsmessung
oder auf Druckmessung in der Brennkammer ausgerichtet sind.
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Die Welle 31 ist durch die Brennkammer 26 hindurchgeführt und im Bereich
der Brennkammer von einem Schutzmantel 39 umgeben. Die Welle 31 tritt nach vorne
hin in einen Turbinenraum 40 ein, in dem sie Turbinenschaufeln 41 trägt. In Fig.
1 ist die Gasturbine im wesentlichen durch das Drehgebilde und die Austrittsdüsen
37 bestimmt. In Fig. 3 ist die Gasturbine im wesentlichen durch die Turbinenschaufeln
41 bestimmt. Am hinteren Ende der Welle ist an diese eine beliebige
Lasteinrichtung
42 angekoppelt.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist eine zylindrische Brennkammer
vorgesehen, die am Außenumfang Austrittsdüsen 37 aufweist, wie sie auch im Zusammenhang
mit Fig. 1 beschrieben sind, so daß die Brennkammer samt den Austrittsdüsen die
Gasturbine bildet. An einer Seite ist die Brennkammer mittels einer scheibenförmigen
Vergaserplatte 21 abgesperrt und überragt diese mit einem Zylinderstutzen 42. Der
Zylinderstutzen trägt ein durchlochtes Stirnteil 43, das mit einer Nabe auf einer
Welle sitzt und gegen das freie Ende einer Mischkammer 17 über eine Dichtung 35
anliegt. An der hinteren Seite der Stirnscheibe 43 sind Ansaugdüsen 44 vorgesehen,
die ähnlich aufgebaut sind und wirken wie die Ansaugdüsen 36 gemäß Fig. 1.
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Dies ist eine rotierende zylindrische Brennkammer, die als Gasturbine
mit Austrittsdüsen ausgebildet ist.
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Gemäß Fig. 5 ist eine scheibenförmige Vergaserplatte 21 unmittelbar
auf eine Welle 31 gesetzt und trägt an der hinteren Seite Ansaugdüsen 44. Die Vergaserplatte
schließt eine zylindrische Brennkammer 26 ab, die nach vorne hin einen Kranz von
Turbinenschaufeln 41 aufweist. Dies ist eine rotierende zylindrische Brennkammer,
die als Gasturbine mit Turbinenschaufeln ausgerüstet ist. Die Ausführungsformen
gemäß Fig. 4 und 5 sind im übrigen gemäß Fig. 1 und 2 oder gemäß Fig. 3 ausgebildet.
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- Leerselte -