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Verfahren zur Steuerung und Zündung von Brennkraftturbinen mit Flüssigkeitskolben
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Zündung von Brennkraftturbinen
mit Flüssigkeitskolben.
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Gemäß der Erfindung erfolgt der Betrieb in der Weise, daß der Hub
des Flüssigkeitskolbens in Abhängigkeit von der Menge und der Zusammensetzung des
angesaugten Frischgases verschieden groß gewählt wird, um den Verdichtungsgrad des
Frischgases bei jeglicher Frischgasmenge und gleichbleibender Menge der Hilfsflüssigkeit
gleichzuhalten. Entsprechend erfolgt auch die Zündung in Abhängigkeit von der jeweils
vorhandenen Hublänge, und auch der Einlaß der Frischgase wird in Abhängigkeit von
der Hublänge durch den Kolben oder andere, von seiner Bewegung abhängige oder sie
beeinflussende Teile oder auch durch die beim Hubwechsel auftretende Druck- bzw.
Strömungsänderung gesteuert.
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Es wird hiermit trotz wechselnden Füllungsgrades, d. h. also trotz
verschiedener Menge und Zusammensetzung des Frischgasgemisches möglich, zur Erzielung
eines guten Brennstoffverbrauchs den Verdichtungsgrad des Gemisches so zu wählen,
wie dies für das jeweils verwendete Frischgas der Menge und Zusammensetzung noch
am günstigsten ist. Die Einlaßsteuerung und die Zündung des Frischgasgemisches werden
dabei selbsttätig in dem für den Betrieb der Turbine günstigsten Augenblick durch
das Betriebsmittel bzw. den Kolben oder von ihm abhängigen Teilen bewirkt. Die Einlaß-Steuerung
und Zündung paßt sich somit, ohne daß es besonderer regelbarer Teile bedarf, dem
jeweils vorhandenen Betriebszustand, d. h. z. B. der Höhe des Explosionsdruckes,
an.
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Es können nun alle möglichen Zustände des Betriebsmittels zur Einlaßsteuerung
bzw. Zündung benutzt werden, beispielsweise der Druck, die Strömungsbewegung, die
Temperatur u. dgl. m. Besonders einfach wird die Einlaßsteuerung und Zündung dann,
wenn der Druck und die Strömung des Betriebsmittels die Einlaßsteuerungsteile oder
Kontakte des Zündstromkreises mittelbar oder unmittelbar bewegen. Es ist zwar an
sich, insbesondere für Motoren mit Flüssigkeitskolben, bereits vorgeschlagen worden,
das Auslaßventil durch die Betriebsflüssigkeit zu bewegen, doch dienen diese Auslaßventile
nicht wie die Einlaßventile und die Zündung als Mittel zur Förderung des Hauptgedankens
der Erfindung, den Verdichtungsgrad bzw. Hub in Abhängigkeit von der Menge und Zusammensetzung
des Frischgases verschieden groß zu wählen.
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Gegebenenfalls kann der Zustand des Betriebsmittels auch irgendwie
hemmend auf einzelne Einlaßsteuerungsteile oder Teile des Zündstromkreises wirken,
-wenn dies besondere Umstände, beispielsweise die Betriebssicherheit bezüglich der
Festlegung des Zündzeitpunktes erfordern.
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Die Steuerung wird dann sehr einfach, wenn das Betriebsmittel unmittelbar
auf das
oder die Einlaßsteuerorgane einwirkt. Hierbei besitzt das
Einlaßsteuerorgan beispielsweise einen Rund- oder Flachschieber oder eine kolbenartige
Fläche, auf welche der Druck des Betriebsmittels geleitet wird, wobei diese Fläche
dann zweckmäßig mit Ablenkungsflächen ausgerüstet ist, wenn auch noch die Strömung
des Betriebsmittels zur Steuerung herangezogen wird.
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Insbesondere bei Turbinen, die ein reines Knallgasgemisch zum Betriebe
verwenden, kommt 'der gesamte Auspuff mit seiner Steuerung in Fortfall, wenn die
Maschine einen Wasserkolben besitzt, da sich in diesem Falle das Wasser, welches
durch die Explosion entsteht, einfach dem Betriebswasser hinzufügt. In solchen Fällen
braucht sich der Steuerkörper meist nur zwischen zwei Endstellungen zu bewegen,
so daß dann nur der auf die eine oder andere Seite der Kolbenfläche des Steuerkörpers
geleitete Druck die gewünschte Verschiebung des Steuerkörpers herbeiführt.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens ist schematisch im
Schnitt auf der Zeichnung veranschaulicht, und zwar handelt es sich hierbei um eine
Turbine, bei der zwei nebeneinanderliegende Zylinder mit Flüssigkeitskolben derart
miteinander gekuppelt sind, daß die als Flüssigkeitskolben dienende Wasser- oder
Ölmasse zwischen den beiden Zylindern hin und her schwingt.
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Die Einlaßstenerung kann so ausgeführt werden, daß das Betriebsmittel
jedes Zylinders für sich auf einen Steuerkörper und einen die Zündung bewirkenden
Teil ein, Wirkt. Zweckmäßiger ist es jedoch, wie dies das abgebildete Ausführungsbeispiel
zeigt, nur einen Steuerkörper für die beiden zusammenarbeitenden Zylinder vorzusehen,
der abwechselnd unter der Wirkung des Betriebsmittels eines der beiden Zylinder
steht.
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Über den beiden Zylinderna und b der Turbine ist ein Gehäuse c angeordnet,
das beispielsweise zylindrisch sein kann und in diesem Falle einen als Steuerkörper
dienenden Zylinderkörper.d umschließt. In diesem Körper befinden sich Kanäle e,1.,
die zur Speisung der Zylinder mit Frischgas dienen, welches aus der Hauptleitung
g zuströmt und durch die Kanäle la, i in den oberen Teil der Zylindena und
b eintritt. Findet, wie dies in dem Ausführungsbeispiel angenommen wurde, reines
Knallgas im richtigen Mischungsverhältnis zum Betriebe der Turbine Verwendung, so
empfiehlt es sich, die Einlaßsteuerkanälee und f in Richtung senkrecht zur ..Zeichnungsebene
zu verdoppeln, derart, daß der Sauerstoff und der Wasserstoff auch noch im Steuerkörperd
getrennt voneinander fließen und sich erst in den Steuerkanälen h und
i oder besser noch isi dem Zylindern bzw. b selbst mischen. Bei Anwendung
von Knallgas im richtigen Mischungsverhältnis können alle Auspuffteile für die Abgase
in Fortfall kommen, so daß der Stenerkörperd, wie abgebildet, nur die Einlaßkanäle
e und f zu enthalten braucht.
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Der Steuerkörper d besitzt zweckmäßig einen Ansatz dl, der nicht nur
zur Führung des Steuerkörpers d in seinem Gehäuse dient, sondern auch eine Beeinflussung
des Steuerkörpers d von außen, sei es durch -einen Regler, sei es von Hand, ermöglicht.
Beispielsweise kann mittels des. Ansatzes dl * der Steuerkörper, wenn er zugleich
den Zündstromkreis steuert, in diejenige Lage gebracht werden, bei welcher die erste
Zündung zum Ingangsetzen der Turbine erfolgt.
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Ein Teil des Flüssigkeitskolbens wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
in Abhängigkeit von der Hublänge selbsttätig im richtigen Augenblick in das Einlaßsteuergehäuse
c geleitet, derart, daß es den Schieber d in der gewünschten Weise hin und her bewegt.
Zur Leitung des Betriebsmittels dient ein Rohr o, das zugleich zur Führung einer
sich mit dem Flüssigkeitskolben bewegenden Platte h bzw. Z dient.
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Insbesondere, wenn die Strömungsenergie des Betriebsmittels zur Bewegung
der Steuerung ausgenutzt werden soll, ist es Empfehlenswert, die Öffnung des das
Betriebsmittel zur Steuerung leitenden Kanals in Richtung der Strömung des Betriebsmittels
anzuordnen. Aus diesem Grunde ist beispielsweise bei der abgebildeten Maschine das
untere Ende der durch die Führungsstange gehenden Leitung umgebogen, derart, daß
die Öffnungpl der Bohrung nach oben zeigt und die Strömungsgeschwindigkeit sich
in der Öffnung fängt. Vorteilhaft ist es auch, diese öffnungpl in solchem Falle
trichter= förmig auszubilden.
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Die Betriebsflüssigkeit wird durch die beiden Rohre o bald auf die
eine, bald auf die andere Stirnfläche des Kolbenschiebers d geleitet und steuert
diesen, wobei auch der Zündstromkreis gesteuert wird.
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Das Betriebsmittel braucht jedoch nicht nur dazu verwendet zu werden,
die Steuerungsteile in Bewegung zu setzen, sondern es ist auch häufig erwünscht,
die Bewegung dieser Teile zu gewissen Zeiten mehr oder weniger stark zu hemmen.
Dies kann z. B. dann notwendig sein, wenn an den Zündkerzen g, von denen zweckmäßig
mehrere für jeden Zylinder angeordnet sind, noch Zündfunken .auftreten können, während
der Steuerschieber d sich unter der Einwirkung des Betriebsmittels bereits in die
auf der Zeichnung veranschaulichte Stellung begeben hat, in
welcher
Frischgas durch die Steuerkanäle e und h in den Zylinder einzuströmen vermag. In
diesem Falle würde eine Fehlzündung erfolgen. In dem dargestellten Beispiel wirkt
nun, bevor der Steuerschieberd die bezeichnete Stelle erreicht hat, der Explosionsdruck
des Zylinders, der auch in dem Kanal h herrscht - gegebenenfalls unter Anordnung
von Aussparungen im Gehäuse und Schieber -, derart auf die Unterseite des Schiebers
d ein, daß dieser stark nach oben gedrückt und seine Reibung an der oberen Wand
erheblich vernnehrt wird, so daß er erst nach überwindung dieser Reibung, also erst
wenn die Energie des steuernden Betriebsmittels einen gewissen Betrag erreicht hat,
aus seiner Anfangsstellung herausbewegt werden kann.
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Die gleiche hemmende Wirkung läßt sich auch dadurch erreichen, daß.
der steuernde Druck oder die Strömung des Betriebsmittels zunächst nur auf einen
Teil des Steuerkörpers wirkt und erst später, unter entsprechender Expansion des
steuernden Betriebsmittels, auf eine größere Fläche des Steuerkörpers, so daß erst
in diesem Falle eine Bewegung desselben eingeleitet wird.
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Auch die Zündung des explosiblen Gemisches, die im Sinne der Erfindung
einen Teil der Steuerung bildet, wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch
das Betriebsmittel selbst eingeleitet, derart, daß sich die Zündung so, wie die
Steuerung der Gase dem Gang, insbesondere der wechselnden Hublänge des Flüssigkeitskolbens
selbsttätig anpaßt.
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Zweckmäßig wird der Kontakt des Zündstromkreises in dem Augenblick
geschlossen und hiermit die Zündung eingeleitet, in welchem sich die Bewegung der
die Energie übertragenden Flüssigkeit im inneren Totpunkt umkehrt. Zu diesem Zwecke
kann die Zunge eines Kontaktes mit einer Fläche ausgerüstet sein, die diese Zunge
der Strömung entsprechend bewegt.
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Um beispielsweise bei der abgebildeten Turbine die Zündung des Explosionsgemisches
genau in dem Augenblick erfolgen zu lassen, in welchem die Hilfsflüssigkeit ihren
inneren Totpunkt erreicht hat und die Bewegung umkehrt, ist in dem unteren Teil
des Zylinderkörpers, am besten in Form einer Zündkerze, ein Schaltkontakt r angeordnet,
dessen drehbare Schaltzunge r1 ein sich senkrecht zur Zeichnungsebene erstreckendes
Blech r2 trägt, derart, daß die Schaltzunge r, um ihren Drehpunkt von der Strömung
der Hilfsflüssigkeit mitgenommen wird. Der Kontakt bleibt offen, solange die Hilfsflüssigkeit
in dem Ausführungsbeispiel nach aufwärts strömt. Im Augenblick der Bewegungsumkehr
im oberen Totpunkt nimmt die abwärts -gehende Strömung .die Schaltzunge r1 mit und
schließt den Kontakt. Wenn im übrigen der Zündstromkreis geschlossen ist und unter
Strom steht, erfolgt in diesem Augenblick an den Zündkerzen q die Zündung.
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Zweckmäßig wirkt der Druck und die Strömung des Betriebsmittels auf
mehrere; Kontaktstellen des Zündstromkreises ein. Dies hat den Zweck, den Zündstromkreis
auf jeden Fall offenzuhalten, wenn z. B. nach erfolgter Explosion noch während des
Abwärtsganges des Hilfsflüssigkeitskolbens Frischgasgemisch durch den Kanal k in
den Zylindern eingesaugt Wird; denn wäre beim Einsaugen des Frischgases der Zündstromkreis
noch geschlossen, so würde sich das einströmende Frischgas an der Zündkerze q entzünden
und ein unsicheres Arbeiten der Mische herbeiführen.
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Die zweite Kontaktstelle wird zweckmäßig mit einem sonst bereits durch
den Druck oder die Strömung des Betriebsmittels beeinflußten Steuerkörper verbunden.
Bei der abgebildeten Turbine ragen z. B. zwei feste Kontaktstifte s, s in das Innere
des Schiebergehäuses c hinein, derart, daß der Zündstromkreis über die Stirnfläche
des Schiebers d geschlossen wird, sobald sich diese Fläche unter der Einwirkung
des Betriebsmittels gegen die Kontaktstifte s, s legt. Der Stromkreis wird wieder
unterbrochen, sobald der Steuerschieber d durch das Betriebsmittel aus seiner Endstellung
in diejenige bewegt wird, bei welcher, wie dargestellt, sein Kanal e Frischgase
in den Zylinder strömen läßt.
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Die Zündung kann auch mittelbar durch das Betriebsmittel, z. B. durch
die Bewegung der Platte k, durch den Anschlag n oder in anderer Weise beeinflußt
werden.
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Es wurde schon angedeutet, daß sich die Wirkung des Druckes und der
Strömung des Betriebsmittels nicht unmittelbar auf die Zündungsteile geltend zu
machen braucht, sondern durch Vermittlung anderer mechanischer Körper, wie der Platte
k, oder des Anschlages n oder auch unter Einschaltung irgendeiner Hilfskraft, d.h.
eines Relais oder Servomotors.