DE565468C - Vorrichtung, insbesondere fuer Abgasturbinen, um mittels mehrerer einzeln nacheinander arbeitender Treibgasstroeme ein und dasselbe Turbinenrad zu beaufschlagen - Google Patents

Description

Wenn man in einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine die Überladung und Spülung der Maschine mittels eines Kreiselverdichters durchzuführen sucht, der von einer Abgasturbine angetrieben wird, so ist man dazu gezwungen, in ein und demselben Abgassammler nur Auspuffgase aus denjenigen Zylindern aufzunehmen, deren Ausströmzeiten ausreichend gegeneinander versetzt

to liegen, um jede Möglichkeit der gegenseitigen Beeinflussung auszuschließen; denn sonst läßt es sich nicht vermeiden, daß der Auspuff eines Zylinders sich über den Auspuff eines anderen Zylinders lagert.

Diese Lösung verlangt aber die Verwendung so vieler einzelner Gasturbinen, wie verschiedene Auspuffgassammler verwendet werden müssen.

Durch die Erfindung soll es nun möglich werden, nur ein einziges Turbinenlaufrad zur Aufnahme und Verarbeitung mehrerer Auspuffgasströme zu verwenden, ohne daß die einzelnen Auspuffströme die Vorgänge in anderen Zylindern stören. Dieses Ziel soll durch den Einbau einer neuen Art Leitvorrichtung mit mehreren Kammern erreicht werden.

Die Erfindung besteht darin, daß das Zuführungsgehäuse und der Eintrittsquerschnitt der Leitkanäle der Leitvorrichtung durch Ringwände in so viel konzentrische Ringkanäle unterteilt sind, wie einzelne Treibgasströme zur Turbine vorhanden sind.

Auf der Zeichnung, welche einige Ausführungsbeispiele schematisch veranschaulicht, zeigt

Fig. ι die Anordnung einer Brennkraftmaschine mit getrennten Auspuffgassammlern, die mit Leitvorrichtungen verbunden sind, welche gemäß der Erfindung mit mehreren Ringkanälen ausgebildet sind.

Fig. 2 ist ein Axialschnitt durch eine solche Leitvorrichtung für die Zuführung zweier Treibgasströme.

Fig. 3 ist die Abwicklung eines Teil-Schnitts der Fig. 2 nach einer parallel zur Turbinenachse geführten Zylinderschnittlinie in Richtung 3-3.

Fig. 4 ist ein Axialschnitt durch eine Leitvorrichtung, die der Zuführung dreier Treib-

gasströme entsprechend drei Ringkanäle besitzt.

Wenn man zur Erläuterung des Erfindungsgedankens als Beispiel eine achtzylindrige Dieselbrennkraftmaschine annimmt, so sind, in Fig. ι mit C₁, C₂, C₃ ... C_s die Zylinder einer solchen einfach wirkenden Viertaktmaschine veranschaulicht. In jedem dieser Zylinder ist die Ziffer der Reihenfolge ίο eingetragen, in welcher die Zündung erfolgt, wenn man annimmt, daß die Zündzeitfolge mit dem Zylinder C₁ beginnt.

Bekanntlich beginnt ein Zylinder mit etwa 40° Voreil winkel gegenüber dem unteren Totpunkt auszupuffen, um ein gutes Abströmen der Gase zu erreichen. Der Auspuff setzt sich dann während des folgenden Kolbenhubs, also entsprechend einer Kurbeldrehung von i8o°, fort und hört ungefähr bei einem Kurbelwinkel von 50⁰ hinter dem oberen Totpunkt auf, um ein gutes Ausspulen der im schädlichen Raum verbliebenen Gase zu erreichen. Auf diese Weise erstreckt sich der Auspuff eines Zylinders mehr oder weniger genau über einen Kurbeldrehwinkel von 270⁰, also auf etwa ^s/₄ Kurbelumdrehung.

Nun erstreckt sich ein Arbeitsvorgang einer Viertaktbrennkraftmaschine über zwei Kurbelumdrehungen, so daß die Auspuffzeiten der Achtzylindermaschine, die als Beispiel gewählt ist, einander regelmäßig in Zeitabständen von einer Viertelumdrehung folgen. Will man nun jede gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Auspuffvorgänge vermeiden, so muß man demnach in ein und demselben Sammler nur die Abgase solcher Zylinder aufnehmen, deren Zündzeiten durch einen mindestens ³/₄ Kurbelumdrehungen entsprechenden Zeitraum getrennt sind.

Hieraus folgt, daß die als Beispiel beschriebene Achtzylindermaschine vier getrennte Auspuffgassammler haben muß, wie dies Fig. 1 veranschaulicht. Der erste Sammler JE₁ dient für die Zylinder C₁ und C₃, der zweite Sammler B₂ für die Zylinder C₂ und C₄, der dritte Sammler jB_s für die Zylinder C₅ und C₇, während der letzte Sammler B₁ die Gase der Zylinder C₀ und C₈ aufnimmt.

so Der zur Spülung und Überladung dienende Maschinensatz enthält in dem Beispiel nur einen einzigen Läufer, der in den beiden Lagern P₁ und P₂ ruht. Dieser Läufer besitzt in der Mitte das Verdichterlaufrad S und an seinen beiden Enden frei tragend die Gasturbinenlaufräder T₁, T₂. Das Verdichterrad 6" fördert in eine Leitung R, welche parallel die acht Zylinder der Maschine, speist. Jede Turbine T₁, T₂ enthält ein einziges Laufrad, welches aus zweien der vier Auspuffgassammler gespeist wird. Betrachtet man eines der Turbinenlaufräder, beispielsweiste T₁, so nimmt dies die Gasströme auf, welche aus den Sammlern E₁ und B₂ kommen und zwischen denen gemäß den vorstehenden Darlegungen ein Zeitraum entsprechend mindestens einer ³/₄ Kurbelumdrehung liegt.

Man könnte, wenn man nur ein einziges Laufrad für die beiden Sammler verwenden will, · zwei getrennte konzentrische Leitvorrichtungen vorsehen, was zur Folge hätte, daß das Laufrad.rhit Schaufeln auszurüsten ist, die etwa die doppelte Höhe derjenigen Schaufelungen hätten, welche die mittlere Durchströmmenge eines einzigen der beiden Sammler E₁, E₂ erforderte. Eine solche Schaufelhöhe hat jedoch verschiedene Nachteile. Sie verursacht eine hohe Fliehkraftbeanspruchung. Da außerdem die Auspuffgase bald aus der einen, bald aus der anderen der beiden konzentrischen Leitvorrichtungen ausströmen, so würde wechselweise bald der obere, bald der untere Teil der Schaufel zum Arbeiten kommen, wodurch unangenehme Schwingungen entstehen. Außerdem würde der jeweils nicht durch den Gasstrom in Anspruch genommene Schaufelteil zu Ventilationsverlusten Veranlassung gebep.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung überlagern sich nun die Auspuffströme, die zwei verschiedenen Zylindern entstammen und getrennt in die Sammler E₁, E₂ geleitet werden, während ihrer ganzen Dauer überhaupt nicht. Man kann diese Tatsache dazu ausnutzen, den Turbinenschaufeln nur diejenige Höhe zu geben, welche der mittleren Durchströmmenge aus einem einzigen der . beiden Sammler E entspricht.

Eine Ringwand c teilt das Zuführungsgehäuse in zwei konzentrische, unabhängige Kränze.«, a', die je die Gasmenge aus einem Sammler übernehmen und weiterleiten. Diese Trennungswand teilt auch die Eintrittszonem der Leitschaufeln d in zwei Kränze, wobei die Leitschaufeln in üblicher Weise in Ringabschnitte gruppiert sind oder.sich über den ganzen Umfang des. Gehäuses erstrecken können. Die von den Schaufeln begrenzten Leitkanäle sind nach den Kränzen a, a' hin offen. Die Ringwand c endet bei e, so daß die Austrittszone η der Leitschaufeln nicht mehr unterteilt ist.

In der Eintrittszone wird das Profil der Leitschaufeln d und die radiale Höhe der zwischen denselben gebildeten Kanäle derart geändert, daß die Kanäle Düsen bilden, deren engster Querschnitt an der Stelle e liegt, wo die Wand c aufhört. In der Austrittszone setzen sich die Schaufeln d, welche den aus den beiden Zweigströmen herrührenden Strömungen gemeinsam sind, fort, indem sie die Gasstromfäden weiterhin derart umlenken,

daß sie in die Richtung des gewählten Eintrittswinkels gelangen.

Die Ausströmzone η ist so bemessen, daß der Querschnitt bei e jedes Zweiges so groß ist wie der Querschnitt bei der Auslaßöft'nung f der Zone η oder allgemeiner etwas größer oder kleiner als dieser, beispielsweise um 20 °/₀ kleiner oder größer. Außerdem ist die dem Strahl in jedem Zweig erteilte Richtung so gewählt, daß sein mittlerer Stromfaden in seiner Verlängerung genau durch die Mitte der Auslaßöffnung/ geht.

In den Fällen, in welchen die beiden Zweige nicht gleichzeitig die volle Gasmenge liefern, was eintritt, wenn sie nacheinander genügend weit zeitlich gegeneinander verschobene Auspuffströme aufnehmen, wird der stärkere und raschere Gasstrom den anderen wie in einem Ejektor mitreißen, während er sich zugleich in der Ausströmzone ausbreitet.

Im allgemeinen erfolgt die Entspannung der Gase fast vollständig in der Eintrittszone, so daß in der Austrittszone keine wesentlichen Druckänderungen mehr eintreten

?.5 und die Schaufeln dort nur als Führungsflächen dienen. Jedoch ist dieser Umstand nicht unbedingt notwendig. Die Leitvorrichtung gemäß der Erfindung ist in der Tat auch anwendbar bei Dampfturbinen, beispielsweise um ihnen auf vorteilhafte Art einen Überlastungsdampfstrahl zuzuführen. In diesem Falle könnte die Leitvorrichtung zwei ungleich große Schaufelkränze enthalten, von denen der eine für den Dauerbetrieb bestimmt ist. Der andere würde dann nur für den Zeitabstand der Überlastung in Betrieb kommen, und seine Strommenge würde sich mit der normalen Strömung in der Austrittszone vereinigen. Wenn der Überlastungsdampfstrom und derjenige für den normalen Betrieb mit verschiedenen Geschwindigkeiten in die Ausströmzone strömen, so reißt der raschere von ihnen den anderen mit.

Natürlich kann die Zahl der Leitstromzweige beliebig gewählt werden. So ist in Fig. 4 als Beispiel der Radialschnitt durch eine Leitvorrichtung mit drei Ringkammern σ, α', α" veranschaulicht. Die Leitschaufeln d, welche durch zwei Ringwände c, c' in der Einströmzone m unterteilt sind, gehören in der Ausströmzone η allen drei Zweigströmen gemeinsam an. In der praktischen Ausführung wird jedoch meist die Zahl der Zweigströme auf zwei zu begrenzen sein, schon mit Rücksicht' auf die Schwierigkeit, welche sich bei der tatsächlichen Ausführung der einzelnen den Zweigströmen zugeordneten Rohrstutzen größerer Zahl ergibt.

Die Leitvorrichtung nach der Erfindung läßt sich ebensowohl bei Axialturbinen wie bei Turbinen mit innerer und äußerer Beaufschlagung anwenden. Für die letzteren wird die Ausführung mehrerer getrennter Zuströmrohrstutzen verhältnismäßig leicht.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. \^rorrichtung, insbesondere für Abgasturbinen, um mittels mehrerer einzeln nacheinander arbeitender Treibgasströme ein und dasselbe Turbinenrad zu beaufschlagen, dessen Schaufelhöhe nur für eine oder einige dieser Ströme bemessen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführungsgehäuse und der Eintrittsquerschnitt der Leitkanäle durch Ringwände (c) in so viel konzentrische Ringkanäle (a, a') unterteilt sind, wie einzelne Treibgasströme zur Turbine vorhanden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringwand (c) in einigem Abstand von der Eintrittsstelle der Leitkanäle endet und daß der Querschnitt der Leitkanäle der mittleren Durchströmmenge aus nur einem Ringkanal entspricht, so daß der aus jedem Ringkanal austretende Treibgasstrom sich über die gesamte allen Ringkanälen gemeinsame x\ustrittsfläche des Gehäuses ausbreitet.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen