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Betriebsverfahren für Verpuffungskammern, insbesondere für Brennkraftturbinen
Vorliegende Erfindung beruht auf der durch Versuchsergebnisse bestätigten Erkenntnis,
daß sich Verpuffungs- und Gleichdruckkammern bzw. Brenner nicht nur in den Zustandsbedingungen
der Verbrennung, vorzugsweise gegeben durch Verbrennung bei gleichem Volumen oder
gleichem Druck, sondern auch in bezug auf den Verbrennungsvorgang selbst unterscheiden.
Während bei Gleichdruckkammern, wie sie insbesondere für Gleichdruckturbinen Verwendung
finden, und bei Brennern, die beispielsweise als Öl-oder Kohlenstaubbrenner zum
Betrieb von Dampfkesseln dienen, der Brennstoff in die bereits gebildete Flamme
eingeführt, entzündet und verbrannt wird, hat es sich gezeigt, daß ein derartiger
Betrieb bei Verpuffungskammern die erheblichsten Nachteile mit sich führt; es entsteht
eine schleichende Verbrennung, welche durch Druckwellenzündung das gefürchtete Klopfen
mit seiner hammerschlagartigen Beanspruchung aller betroffenen Teile der Kammer
hervorruft. Eine derartige Einführung des Brennstoffes in die gebildete Flamme ist
unvermeidlich, wenn der Brennstoff so eingeführt wird, daß er augenblicklich die
gesamte Kammer erfüllt. Ein derartiges Verfahren erscheint naheliegend, weil es
anscheinend die Erfüllung der Kammer mit homogenem Gemisch in der kleinstmöglichen
Zeitspanne gewährleistet. Versuche aber ergaben, daß bei einer derartigen Einführung
des Brennstoffes eine Urzündung erfolgt, ehe die Einführung des Brennstoffes beendet
ist. Diese Urzündung erfolgt bei langgestreckten Kammern vorteilhaft in der Nähe
des Auslaßorgans der V erpuffungskammer, weil die Möglichkeit der Erniedrigung der
Strahlgeschwindigkeiten der Feuergase und der hierdurch bedingten Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades
geschaffen wird. Unter Urzündung ist dabei jedes die Zündung hervorrufende Mittel,
sei es ein elektrischer Zündfunke, eine Glühzündung, Zündung durch katalysatorisch
wirkende Stoffe oder Zündung am heißen Feuergasrest o. dgl. mehr, verstanden. An
der Stelle, an der die Urzündung entsteht, im nachfolgenden kurz Zündstelle genannt,
tritt die Flammenbildung ein, die sich kugelschalenförmig ausbreitet, so daß das
durchweg zum Abschlußorgan entgegengesetzt angeordnete Brennstoffeinlaßorgan die
Förderung von Brennstoff in die Verpuffungskammer unter Durchschlagurig dieser Kugelschalen
fortsetzt. Eine Brennstoffeinführung, bei .der durch entsprechende Anordnung der
Brennstoffeinlaßorgane oder durch entsprechende Bemessung des Druckes, mit dem der
Brennstoff eingeführt wird, eine augenblickliche Erfüllung der Kammer mit Brennstoff
sowohl an den vom Brennstaffeinlaßorgan .entfernteren wie an den ihm näher zu gelegenen
Stellen eintritt, führt also in vielen Fällen zur Einführung von Brennstoff in die
gebildete Flamme, so daß die geschilderten Nachteile eintreten.
Hier
setzt vorliegende Erfindung ein; sie besteht darin, daß bei Beginn der Brennstoffeinführung,
gegebenenfalls bei bereits völlig geöffnetem Brennstoffeinlaßventil, der am Lufteinlaßventil
gelegene Kammerteil mit Brennstoff aufgefüllt und die Brennstoffauffüllung bis zum
Ende der Brennstoffeinführung zur Zündstelle zu gleichmäßig vorgetrieben wird. Zuerst
werden also die in der Nähe des Brennstoffeinlaßorgans liegenden Raumteile der Verpuffungskammer
mit Brennstoff erfüllt, dann die weiter entfernteren Teile und schließlich .diejenigen
Raumteile, welche die größte Entfernung vom Einlaßorgan besitzen, also bei der durchweg
angewandten Formgebung der Verpuffungskammer die Raumteile am Abschlußorgan der
Verpuffungskainmer. Nach früheren Vorschlägen sind an dieser Stelle mit besonderem
Erfolg die Organe oder Mittel zur Urzündung vorgesehen, so daß die Möglichkeit zur
Urzündung erst gegeben ist, wenn ber-eits alle von der Zündstelle entfernter liegenden
Raumteile der Verpuffungskammer finit homogenem Gemisch erfüllt sind und entsprechend
die Einführung von Brennstoff in sie bereits beendet worden war. In die durch die
Urzündung entstandene Flamme wird also an keiner einzigen Stelle der Verpuffungskammer
mehr Brennstoff eingeführt, so .daß auch die mit einer derartigen Einführung verbundenen
Nachteile nicht mehr entstehen können.
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Das Verfahren zur Zündstelle zu vordringender Auffüllung der Kammer
mit Brennstoff kann in verschiedener Weise .gehandhabt werden. Eine mehr stufenweise
vordringende Auffüllung der Kammer wird durch über die Länge der Verpuffungskammer
verteilte Einführung von Brennstoff bewirkt, wobei die Einführung in der Fähe der
Zündstelle später erfolgt wie an den von der Zündstelle entfernter liegenden Teilen
der Kammer. Eine mehr stetig vordringende Auffüllung der Kammer erfolgt in weiterer
Durchführung der Erfindung durch Steigerung des Druckes, mit dem der Brennstoff
während eines zur Brennstoffeinführung vorgesehenen Zeitabschnittes in die Kammer
eingeführt wird. Beide Maßnahmen können schließlich vereinigt werden, wenn es sich
beispielsweise um Kammern besonders hoher Leistungen handelt.
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Die Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens können in ,der verschiedensten
Weise ausgebildet sein. Die stufenweise vordringende Auffüllung erfolgt durch über
die Länge der Verpuffungskammer verteilte, zeitlich hintereinander ansprechende
Brennstoffzuführungsorgane, wobei wiederum die zur Zündstelle zu gelegenen später
wie die entfernteren ansprechen. Die Phasenverschiebung im Ansprechen kann ebenfalls
auf verschiedene Arten bewirkt werden. Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt
sich, wenn die Antriebsorgane, wie Nocken oder Exzenter, der den Brennstoffzuführungsorganen
zugeordneten Brennstoffpumpen entsprechend der zeitlichen Hintereinanderfolge im
Ansprechen der einzelnen Brennstoffeinlaßoi-gane gegeneinander versetzt sind. Ebenso
aber kann die Phasenverschiebung in der Brennstoffzuführung dadurch erfolgen, daß
in der Plungerführung zu den verschiedenen Brennstoffeinlaßorganen führende, vom
Plunger hintereinander überschliffene Bohrungen angeordnet sind. Ebenso können die
Steuerungsorgane der den Brennstoffzuführungsorganen zugeordneten Brennstoffpumpen
der zeitlichen Hintereinanderfolge entsprechend mechanisch gesteuert werden. Schließlich
können mehrere Plunger gleichzeitig, aber auf entsprechend abgestimmte Ventile arbeiten,
so daß diese selbsttätig hintereinander den Brennstoff zu den entsprechenden Einlaßorganen
freigeben.
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Die stetig vordringende Auffüllung der Kammer wird zweckmäßig durch
Steigerung des Druckes durchgeführt, mit dem der Brennstoff während eines zur Brennstoffeinführung
vorgesehenen Zeitabschnittes in die Kammer eingeführt wird. Als Mittel zur Durchführung
des Verfahrens ergibt sich in besonders einfacher Weise eine Gestaltung der den
Druckhub des Brennstoffpumpenplungers bewirkenden Nockenbahn, bei welcher der je
Zeiteinheit durchgeführte Hub des Plungers bis zu einem Größt-,vert zunimmt. Es
liegt im Wesen .der Erfindung, daß der gleiche Erfolg durch andere Mittel, beispielsweise
durch allmählich abnehmende Drosselung in der Zufuhrleitung des Brennstoffes o.
dgl., vorgenommen werden kann. Ebenso können die Maßnahmen zur zeitlichen Hintereinanderschaltung
in der Brennstoffzuführung mit den Maßnahmen zur Steigerung des Druckes gekoppelt
werden, wenn es sich beispielsweise um die vordringende Erfüllung besonders großer
Kammern mit Brennstoff bandelt.
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D;ie Zeichnung zeigt zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Abb. i gibt einen Längsschnitt durch eine Verpuffungskammer mit einem
Brennstoffeinlaßorgan wieder, während Abb@.2 eine Abwicklung der Nockenerhebungsbahn
der Brennstoffpumpe zeigt, welche dem Einlaßorgan der Abb. i zugeordnet ist., Abb.
3 zeigt das zugehörige Pumpendruckdiagramm, in Abhängigkeit von Gradumdrehungen
der Nockenwelle.
Abb. 4. zeigt den Längsschnitt durch eine Verpuffungskammer
mit zwei Brennstoffeinlaßorganen, während die Abb. 5 und 6 das entsprechende Nockenerhebungs-
und Pumpendruckdiagramm der beiden diesen Einlaßorganen zugeordneten Brennstoffpumpen
darstellen.
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In Abb. i bezeichnet i die Verpuffungskammer, -2 das Brennstoffeinlaßorgan,
3 das Lufteinlaßorgan, 4. -das Auslaßorgan und 5 die die Urzündung hervorrufende
Zündkerze. Nach Öffnung des Auslaßorgans q. werden die gebildeten Feuergase über
eine Düse 6, beispielsweise zur Beaufschlagung eines Turbinenlaufrades, entlassen.
Bildet man bei einer derartigen Verpuffungskammer die N ockenerhebungskurve nach
Abb. 2 aus, so erhält man das Pumpendruckdiagramm nach Abb.3. Die Brennstoffeinspritzung
in die bereits mit Luft gefüllte Verpuffungskammer erfolgt also unter Vordringen
der Brennstoffteilchen zur Zündstelle 5 zu. Schematisch ist das Vordringen des Brennstoffes
bei einem Einspritzdruck von 4.o, 6o und 8o at veranschaulicht worden. Sobald der
höchste Pumpendruck erreicht worden ist, setzt die Urzündung bei 5 ein. Es erfolgt
eine Verbrennung, die genau entgegengesetzt verläuft wie die Auffüllung der Kammer
mit Brennstoff. Während diese vom Brennstoffeinlaßorgan ausgeht und zur "Zündstelle
zu vordringt, geht die Verbrennung von der Zündstelle aus und dringt zum Brennstoffeinlaßorgan
2 vor. Man erreicht hierdurch, daß an keiner einzigen Stelle der Kammer Brennstoff
in eine bereits gebildete Flamme eingeführt wird, sondern die Flamme findet an allen
Stellen der Kammer bereits fertig vorgebildetes Gemisch vor, das durch die inzwischen
eingetretenen mechanischen und thermischen Vorgänge homogenisiert wurde. Die gefürchtete
Druckwellenzündung mit der klopfenden Verbrennung wird also mit Sicherheit vermieden.
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Der durch .die Ausführung nach den Abb. i bis 3 erreichte Fortschritt
tritt bei einer Ausbildung nach den Abbildungen d. bis 6 dadurch ein, daß über die
Länge der Verpuff ungskammer i zwei Brennstoffeinlaßorgane 2 und 7 verteilt sind,
die zeitlich hintereinander so ansprechen, daß das zur Zündstelle 5 zu gelegene,
7, später anspricht wie das entferntere, 2. Erreicht wird dies durch Versetzung
der Antriebsorgane der den Organen 2 und 7 zugeordneten Brennstoffpumpen. Abb. 5
zeigt, bezogen auf Gradumdrehungen der Nockenwelle, in der ausgezogenen Linie die
Plungerbewegung der Brennstoffpumpe, welche dem Brennstoffzuführungsorgan 2 zugeordnet
ist, während die gestrichelt gezeichnete Linie die Plungerbewegung der Brennstoffplungerpumpe
zeigt, welche dem Brennstoff zuführungsorgan 7 zugeordnet ist.
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Abb.6 zeigt die entsprechenden Pumpendrücke, wiederum in Abhängigkeit
von Gradumdrehungen der Nockenwelle, wobei der Pumpendruck so bestimmt ist, daß
über Brennstoffzuführungsorgan 2 die Erfüllung des zwischen den Zuführungsorganen
2 und 7 liegenden Raumteiles der Verpuffungskammer und über Brennstoffzuführungsorgan
7 die Erfüllung des zwischen -dem Einlaßorgan 7 und dem Auslaßorgan .4 liegenden
Raumteiles der Verpuffungskammer mit Brennstoff gewährleistet ist. Durch die Phasenverschiebung
in der Hubbewegung ,der beiden Plunger tritt also erfindungsgemäß eine stufenweise
vordringende Auffüllung der Kammer mit Brennstoff unter Erreichung der dargelegten
Vorteile ein. Dabei ist es möglich, die beiden Plungerbewegungskurven nach Abb.5
bzw. nach Abb.2 so auszubilden, daß innerhalb der Raumteile der Verpuffungskammer
eine stetig vordringende Auffüllung eintritt, wie sie in Abb. i schematisch veranschaulicht
ist. Unabhängig davon, welches der geschilderten Verfahren und welche der gezeichneten
Ausführungsformen der Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gewählt werden,
tritt die Tatsache ein, daß im Augenblick der Urzündung keine weitere Brennstoffeinführung
erfolgt, so daß eine Einführung von Brennstoff in die bereits gebildete Flamme ausgeschlossen
bleibt.