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Verfahren zum Betriebe von Verpuffungskammern für Brennkraftturbinen
mit schwer zündenden Brennstoffen, vorzugsweise Kohlenstaub Um die Schwierigkeiten,
die sich beim Betrieb von Verpuffungskammern mit schwer zündenden Brennstoffen,
insbesondere Kohlenstaub, ergaben, zu überwinden, hat man schon die gleichzeitige
Einführung leichter zündender Brennstoffe in den Verbrennungsraum vorgeschlagen.
Man ging dabei von der Vorstellung aus, daß bei der Zündung der Ladung, die sich
aus den Kernen des schwer zündenden Brennstoffes, aus dem leicht zündenden Brennstoff,
vorzugsweise einem Gas, und aus dem zur Verbrennung der Ladung erforderlichen Sauerstoff
(Luft) und gegebenenfalls einem Überschuß desselben zusammensetzte, die zunächst
einsetzende Verbrennung des leicht zündenden Hilfsbrennstoffluftgemisches eine Stichflamme
von so hoher Temperatur erzeugt, daß die Vorbedingungen für die Entzündung des schwer
zündenden Hauptteiles der Ladung zustande kommen; in der Tat konnten auch auf diese
Weise explosionsartige Verbrennungen der Ladung erhalten werden. Genauere Untersuchungen
des Verbrennungsvorganges zeigten aber, daß die Verbrennungslinien von Diagrammen,
die an verschiedenen Stellen des Verbrennungsraumes entnommen wurden, verschieden
verliefen und daß als Gesamtergebnis eine Verbrennung entstand, die immer noch schleichender
verlief wie diejenige, die an gewissen Stellen des Verbrennungsraumes erhalten werden
konnte. Die Gesamtverbrennung stellte sich demnach als unvollkommen und verbesserungsfähig
heraus. Vorliegende Erfindung setzte sich zum Ziel, diese Unvollkommenheit im Ablauf
der Verbrennung zu beseitigen und eine einheitliche steile Verbrennungslinie über
den gesamten Verbrennungsraum zu erzielen.
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Das gemäß der Erfindung vorgeschlagene Verfahren kennzeichnet sich
durch eine Vergrößerung der Zeitdauer, in welcher in der Brennkammer zwischen Zündzeitpunkt
und Düsenventileröffnung der Verbrennungshöchstdruck und die Verbrennungstemperatur
herrschen, so daß die Temperatur in der Brennkammer eine Höhe erreicht, bei der
die in die Brennkammer eingeladenen schwer zündenden Brennstoffkerne Öl- oder Schwelgase
ausscheiden und diese die Zwischenräume zwischen den einzelnen Brennstoffkernen
auszufüllen beginnen.
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Ein derartiges Verfahren unterscheidet sich grundsätzlich von demjenigen,
bei dem durch Einschleusung eines leicht entzündlichen Brennstoffes in den Verbrennungsraum
die Zündung des Hauptteiles der Ladung durch Stichflammenwirkung hervorgerufen wird.
Während nämlich bei diesem Verfahren nur ein Teil, nämlich der in den Einströmungsberdich
des leicht entzündlichen Brennstoffes gelangte Teil der schwer zündenden Brennstoffkerne
von dem Hilfsbrennstoff umgeben wird und mit dem Hilfsbrennstoffluftgemisch explosionsartig
verbrennt, bleibt ein anderer Teil, und zwar der
Hauptteil der aus
schwer zündendem Brennstoff bestehenden eigentlichen Arbeitsladung völlig ohne die
gemäß der Erfindung als fortschrittlich erkannte Umhüllung mit leicht zündendem
Brennstoff, so daß die Entzündung des Hauptteiles der Ladung nur durch Stichflammenwirkung,
d. h. in einer zweiten Phase der Verbrennung zustande kommen konnte. Dazu tritt
der Hauptnachteil, daß schwer zündliche Brennstoffe, wie Teere, Kohlenstaub o. dgl.,
infolge ihrer Zähigkeit bzw. Kohärenz nicht ohne besondere Mittel genügend zerteilt
in den Verbrennungsraum übergeführt werden können; man muß sich daher der Verbrennungsluft
oder besonderer hochgespannter Zerstäubungsluft bedienen, um derartige Brennstoffe
fein zerstäubt und verteilt in den Verbrennungsraum eintragen zu können. Diese Luft
okkludiert an der Oberfläche dieser Brennstoffteilchen und umhüllt sie, so daß es
dem gleichzeitig eingeführten Hilfsbrennstoff nicht ohne weiteres möglich ist, an
die schwer zündenden Brennstoffkerne heran zu gelangen und sie unmittelbar zu umhüllen.
Die Folge ist die Anwesenheit der verschiedenartigsten Ladungsbestandteile im Verbrennungsraum:
schwer zündende Brennstoffkerne, schwer zündende Brennstoffkerne mit einer Lufthülle,
schwer zündende Brennstoffkerne mit einer Lufthülle und von Gas umgeben sowie schwer
zündende Brennstoffkerne mit einer Gashülle. Letztere Ladungsbestandteile sind Träger
der explosiven Verbrennung, aber aus den dargelegten Gründen bei dem bekannten Verfahren
kaum im Verbrennungsraum vorhanden; nur der zufälligen Bildung derselben ist der
Eintritt von Zündungen bei diesem Verfahren überhaupt zu verdanken. Es kommt jedoch
nicht nur auf die Erzielung von Verbrennungen an und für sich an, sondern die Verbrennungen
müssen zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens so vollkommen wie möglich
sein. Durch Umhüllung sämtlicher schwer zündenden Brennstoffkerne einer Ladung mit
leicht zündendem Brennstoff werden die Vorbedingungen für den einheitlichen Ablauf
des Verbrennungsvorganges aller Ladungsbestandteile im Verbrennungsraum gegeben;
dadurch, daß die Umhüllung der Brennstoffkerne bis nahezu oder bis zur Ausfüllung
der Zwischenräume zwischen den einzelnen schwer zündenden Brennstoffkernen getrieben
wird, wird durch die erzielte unmittelbare Flammenüberleitung die plötzliche explosive
Entzündung der Ladung bewirkt. Das Maß dafür, daß die Umhüllung der Brennstoffkerne
mit dem leicht zündenden Brennstoff vollendet und die Ausfüllung der Zwischenräume
auf das zur Erzielung des technischen Erfolges hinreichende Maß getrieben worden
ist, wird die einheitliche - Verbrennungslinie im Diagramm, gleichgültig, an welcher
Stelle des Verbrennungsraumes das Diagramm entnommen wurde.
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Ohne die Erkenntnis der dargelegten technischen Regel zum Betriebe
von Brennkraftmaschinen, vorzugsweise Brennkraftturbinen, hat der Erfinder schon
vorgeschlagen, das Verfahren mechanisch zu verwirklichen, indem die Einspeisevorrichtungen
des schwer zündenden Brennstoffes und des leicht zündenden Hilfsbrennstoffes so
ausgebildet und angeordnet werden, daß der Stromfädenverlauf der schwer . zündenden
Brennstoffkerne und des Hilfsbrennstoffes ein übereinstimmender wird. Auf diese
Weise wird der Hilfsbrennstoff an alle Stellen getragen, an denen sich schwer zündende
Brennstoffkerne befinden, und die Umhüllung der Brennstoffkerne mit dem Hilfsbrennstoff
dadurch gewährleistet, daß das unter hohem Druck und entsprechender Geschwindigkeit
in den Verbrennungsraum eingestrahlte Hilfsgas die an den Brennstoffkernen oberflächlich
okkludierte Luft leichterer Masse von den Kernen schwerer Masse wegbläst und an
ihre Stelle tritt. Es kann dahingestellt bleiben, ob diese rein mechanischen Maßnahmen
den technischen Erfolg, zu dem die Erfindung führen will, im erstrebten Umfange
eintreten lassen. Einfacher und sicherer ist das in Durchführung des Erfindungsgedankens
vorgeschlagene Verfahren, durch welches der leicht zündende Brennstoff aus dem schwer
zündenden abgespalten werden soll. Der Vorteil eines derartigen Verfahrens gegenüber
jeder noch so erfolgreichen Einführung eines fertigen Hilfsbrennstoffes in den Verbrennungsraum
besteht darin, daß alle schwer zündenden Brennstoffkerne ohne Ausnahme von dem leicht
zündenden Brennstoff unter sicherer Entfernung aller störenden Ladungsbestandteile
umhüllt werden; die Abspaltung selbst kann dabei beliebig auf das zur genügenden
Ausfüllung der Zwischenräume erforderliche Maß getrieben werden.
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In der wissenschaftlichen Literatur über Dieselmaschinen ist bereits,
jedoch nicht unbestritten, auf die Aufspaltung und Bildung von Öl- bzw. Schwelgasen
zur Vervollkommnung der Verbrennung hingewiesen worden; als Mittel zur Herbeiführung
dieser Wirkung wurde die allmähliche Brennstoffzuführung erkannt, so daß die zur
Zerteilung des flüssigen Brennstoffes, Verteilung im Verdichtungsraum, Verdampfung,
Gemischbildung, Aufspaltung und Olgasbildung, Zersetzung und Verbrennung erforderliche
Wärmemenge und die genügende Zeit verfügbar waren. Es wurde auch darauf hingewiesen,
daß die heißen Eisenwandungen des Verbrennungsraumes in. Verbindung mit dem Wasserdampf
der Luft katalytisch auf die Oldämpfe wirken. Indessen durften die Wandungen des
Zylinders aus dem Grunde nicht
zu warm gehalten werden, weil sonst
das Schmieröl verdampfen würde.
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Vom Dieselverfahren und den dort angewandten Lösungsmitteln aber unterscheidet
sich vorliegende Erfindung durch die ausschließliche Einwirkung auf den Brennstoff
mittels der Brennkammertemperatur, die erfindungsgemäß, da Rücksichten auf das Schmieröl
wegfallen, auf eine Höhe eingestellt werden soll, bei der der schwer zündende Brennstoff
bereits leicht zündenden Brennstoff abspaltet, ohne daß es der beim Dieselverfahren
erforderlichen und wesentlichen Mitwirkung der hochverdichteten Verbrennungsluft
in Verbindung mit allmählicher Brennstoffzuführung bedarf.
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Die Vergrößerung der Zeitdauer, in welcher in der Brennkammer zwischen
Zündzeitpunkt und Düsenventileröffnung der Verbrennungsgrößtdruck und die höchste
Verbrennungstemperatur herrschen, kann in besonders einfacher Form durch Vorverlegung
der Zündung erfolgen. Die Verhältnisse, die sich bei Vorverlegung der Zündung ergeben,
sollen an Hand der Wirklichkeit entnommener Diagramme erläutert werden.
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Abb. z gibt zunächst das Druckzeitdiagramm einer nach dem Verpuffungsverfahren
arbeitenden Kohlenstaubturbine wieder, in deren Verbrennungsraum in an sich bekannter
Art und Weise mit der Kohlenstaubladung ein Hilfszündgas eingeschleust wird.
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Abb.2 zeigt dagegen das Beispiel eines Druckzeitdiagramms einer Kohlenstaubturbine,
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.
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Das Diagramm der Abb. x, dessen grundsätzliche Charakteristik durch
die nach der Zündung Z einsetzende Verbrennungslinie, durch die nach Eröffnung des
Düsenventils im Punkte DV0 einsetzende Ausdehnungslinie und durch die im Punkte
LVO nach Öffnung des Ladeventils einsetzende Ladelinie gegeben ist, bestätigt die
eingangs niedergelegten Ausführungen; auf einen steil ansteigenden Ast der bei Z
beginnenden Verbrennungslinie folgt mit deutlichem Knickpunkt K ein weit flacher
verlaufender Ast der Verbrennungslinie, der schließlich in einen Diagrammsattel
übergeht. Es folgt also auf eine explosive Initialverbrennung des hilfszündgasumhüllten
Teiles der Kohlenstaubladung die schleichende Verbrennung des beträchtlichen Ladungsteiles,
der ohne Umhüllung der Brennstoffkerne mit Hilfszündgas geblieben war.
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Legt man nun die Zündung vor den üblichen Zündzeitpunkt Z des Diagramms
der Abb. z vor, so vergrößert sich, da der Punkt DVO hier einen Festpunkt im Ablauf
des Turbinenarbeitsspieles darstellt, die Zeit gleichen Höchstdruckes der Verbrennungsgase
und damit ihre Einwirkungszeit auf die den Verbrennungsraum umschließenden Wandungen.
Abb.2 zeigt, daß einer Vorverlegung der Zündung auf den Punkt Z1 eine Vergrößerung
der Gleichdruckperiode um zl-z auf z1, einer Vorverlegung der Zündung auf den Punkt
Z2 eine Vergrößerung- der Gleichdruckperiode um z, -z auf z2, einer Vorverlegung
auf den Punkt Z3 eine Vergrößerung der Gleichdruckperiode um z, -z auf z, usw. entspricht,
so daß man es in .der Hand #hat, entsprechend diesen willkürlich veränderlichen
Einwirkungszeiten durch Vorverlegung der Zündung die Wandungen des Turbinenverbrennungsraumes
so weit aufzuheizen, daß durch Wärmerückstrahlung und -leitung aus diesen auf die
frische Ladung die erforderliche thermische Aufbereitung derselben eintritt. Der
Erfolg zeigt sich unmittelbar im Diagramm selbst durch die einheitliche steile Verbrennungslinie
und durch die Erzielung höherer Verbrennungsdrücke in gleichen Zeitabschnitten.
Während bei dem üblichen Betrieb der Brennkraftturbine mit leicht zündendem Gas,
wie Leuchtgas, oder mit leicht zündenden, flüssigen Brennstoffen, wie Benzinen,
Benzolen, die Einwirkungszeit z etwa 1!1.o bis ' Il., Sekunden beträgt, bedarf sie
beispielsweise bei der Einspritzung von Gasöl in den Verbrennungsraum als Betriebsstoff
einer Vervielfachung, bei der Einführung von Kohlenstaub in den Verbrennungsraum
sogar einer Verzehnfachung; erreicht wird die Verlängerung der Einwirkungszeit in
der beschriebenen Art und Weise durch Vorverlegung der Zündung. Als Ergebnis wird
eine von der Einführung eines Hilfsgases unabhängige vollständige Verbrennung des
schwer zündenden Brennstoffes mit einheitlicher steiler Verbrennungslinie über den
gesamten Verbrennungsraum erhalten.
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Ein anderes Mittel zur Durchführung des Verfahrens ist die Erhöhung
der Temperatur des Kühlmittels, beispielsweise durch Verringerung seiner Umlaufgeschwindigkeit,
durch Abschaltung von Kühlflächen o. dgl. Vorteilhaft ist es, gleichzeitig die Einwirkungszeiten.
der Verbrennungsgase durch Vorverlegung der Zündung zu vergrößern und die Kühlmitteltemperatur
heraufzusetzen, damit einerseits nicht durch zu lange Einwirkungszeiten der Ablauf
des Arbeitsverfahrens beeinträchtigt wird und andererseits nicht die Temperaturen
der zu kühlenden Turbinenteile auf ein Maß getrieben werden, das zu Betriebsschwierigkeiten
führt. So hat sich beispielsweise ergeben, daß beim reinen Kohlenstaubbetrieb einer
Brennkraftturbine die Temperatur des Kühlmittels zweckmäßig von etwa 8o' C bei Gas-
und Leichtölbetrieb auf Zoo bis 25o° C zu erhöhen war, wobei Einwirkungszeiten erforderlich
wurden, die ohne Anstände im Dauerbetrieb durchgehalten werden konnten.