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Brennkraftanlage Es ist bekanntlich die Kolbenmaschine zur Verarbeitung
von Gasen von hohem Druck und hoher Temperatur geeigneter als die Turbine. Für den
Antrieb des elektrischen Stromerzeugers eignet sich dagegen, besonders bei großen
Leistungen, besser die Turbine. Es ist daher für Brennkraftanlagen bereits vorgeschlagen
worden, als Hauptantriebsmaschine eine Turbine (Gasturbine) zu wählen und die Treibgase
für diese in einer Kolbenmaschine zu erzeugen, wobei die Kolbenmaschine nicht nur
zur Verdichtung des brennbaren Gemischs, sondern auch als Verbrennungskammer und
zur Entspannung der heißen Gase auf einen für die weitere Verarbeitung in der Gasturbine
geeigneten Druck benutzt wird. . Diese Vereinigung von Kolbenmaschine und Turbine
hat jedoch den schwerwiegenden Nachteil, daß bezüglich Wirtschaftlichkeit der Anlage
wenig, bezüglich Herstellungskosten, Platzbedarf, Einfachheit usw. jedoch nichts
gewonnen wird. Die Abmessungen einer Kolbenmaschine richten sich nämlich nicht nach
der Leistung, sondern allein nach den vorkommenden Höchstdrücken und den Ansaugmengen
des zu verarbeitenden Brennstoffgemisches. Wird z. B. die nach außen abzugebende
Leistung der Kolbenmaschine stark vermindert, indem man zur Vermehrung der. Gasturbinenleistung
den Ausschubdruck erhöht; bleibt dabei aber die Ansaugmenge der Kolbenmaschine die
gleiche, so ändern sich die Abmessungen der T<olbenmaschine so-gut wie gar nicht.
Soll also die Kolbenmaschine mit Vorteil zur Hilfsmaschine gemacht werden, indem
man sie nur zur Treibgaserzeugung verwendet und die Lieferung der gesamten Nutzleistung
einer Gasturbine überträgt, so sind erst Mittel und Wege zu finden, um diese Kolbenmaschine
auch billig, platzsparend, einfach und wirtschaftlich herzustellen und zu betreiben.
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Die bekannten Anordnungen, die aus einer Gasturbine zum Antrieb des
Generators und einer Kolbenmaschine zur Erzeugung des Treibmittels bestehen, haben
aber weiter noch den Nachteil, daß Druck und Temperatur des Treibmittels gewissen
Beschränkungen unterworfen sind, die einem günstigen Wirkungsgrade der Anlage im
Wege stehen. Wird nämlich zur Verdichtung von Luft und Brennstoff nur die Energie
der Kolbenmaschine verwendet und das Treibmittel, wie üblich, durch Mischung der
Abgase dieser Kolbenmaschine mit der durch die Kolbenmaschine verdichteten Luft
gebildet, so ist eine für die Verarbeitung in der Gasturbine brauchbare Temperatur
des Treibmittels nur erhältlich, wenn der Druck des Treibmittels niedrig ist. Eine
hohe Verdichtung der Mischluft erfordert nämlich auch eine verhältnismäßig große
Wärmemenge in der Antriebsmaschineund :ergibt aus diesem grunde, aber auch wegen
des erhöhten Gegen üauckes eine Mischtemperatur der Treibgase,. die meist zu hoch
ist, um in der Gasturbine ,betriebssicher verarbeitet werden zu können.
Wird
der Druck der Treibgase aber niedrig gehalten, so ist die Ausnutzung der Energie
in der Gasturbine eine geringe, der Wirkungsgrad der Anlage also ungenügend.
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Diesem Übelstand kann nun gemäß vorliegender Erfindung dadurch abgeholfen
werden, daß die Kolben-Brennkraftmaschine mit Kolbenverdichter als Flugkolbenmaschine
ausgebildet wird und ein dem Kolbenverdichter vorgeschaltetes Aufladegebläse, das
von der Gasturbine oder einem besonderen Motor (z. B. einem Elektromotor) angetrieben
wird, der Flugkolbenmaschine auf mindestens 2 ata verdichtete Luft anliefert.
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Durch die Aufteilung der Verdichtung in mehrere Stufen und durch die
hohe Vorverdichtung in der i. Stufe wird es möglich, der Flugkolbenmaschine unabhängig
vom Enddruck nur so viel Verdichtungarbeit zuzuteilen; daß die von der Flugkolbenmaschine
gelieferten Abgase nach Mischung mit der verdichteten Luft die Temperatur ergeben,
die für das Treibmittel verlangt wird. Mit der Erhöhung des Druckes der Treibgase
steigt auch der Wirkungsgrad der Anlage.
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Durch die Aufteilung der Verdichtung in der angegebenen Weise wird
weiterhin erreicht, daß die Abmessungen der Kolben-. maschine bedeutend vermindert
werden. Da es sich bei dieser Kolbenmaschine nur um eine Hilfsmaschine zur Herstellung
des Treibgases handelt, ist es besonders wichtig, daß diese Maschine einfach und
-billig sei. Es eignet sich hierfür nun am besten die Flugkolbenmaschine, die infolge
Wegfalls der Gestänge, Kurbeln., Lager usw. und wegen der unmittelbaren Energieabgabe
am gleichen Kolben oder der gleichen Kolbenstange nur aus aktiven Teilen besteht;
dadurch, daß die Luft dem Kolbenverdichter vorverdichtet angeliefert und die Brennkraftmaschine
ebenfalls mit hochverdichteter Luft geladen wird, vermindern sich auch noch die
Abmessungen dieser aktiven Teile. Ein wesentliches Element der Erfindung ist also
neben der hohen Vorverdichtung der Luft die Ausbildung der Kolbenmaschine, in welcher
das Treibmittel für die Gasturbine hergestellt wird, als Flugkolbenmaschine.
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Auf der Zeichnung Abb. i ist ein Maschinensatz, der gemäß derErfindung
arbeitet, dargestellt. Es ist i das Aufladekreiselgebläse, 2 die Gasturbine, 3 ein
Generator. ¢ ist die Flugkolbenmaschine, in welcher das Treibgas hergestellt wird.
Durch das Gebläse i, das von der Turbine 2 oder einem besonderen Motor (z. B. einem
Elektromotor) angetrieben wird, wird die Luft, die vom Kolbenverdichter 5 weiterzuverdichten
ist, bereits vorverdichtet angeliefert. Der Kolben des Verdichters 5 ist
mit dem Kolben der Brennkraftmaschine 6 unmittelbar verbunden. Der Arbeitskolben
der Maschine 6 erhält seine Bewegung durch die Verbrennung (unter Gleichdruck oder
Verpuffung) des Brennstoffes, der bei 7 eingespritzt und durch Pumpe 8 auf Einspritzdruck
gebracht wird. Der Antrieb der Pumpe 8 erfolgt durch den Stößel g. Es ist weiter
io das Lufteinlaß-und z i das Luftauslaßventil des Kolbenverdichters. Um die Luftlieferung
auszugleichen, kann bei 1a ein Ausgleichbehälter vorgesehen werden. Die verdichtete
Luft dient sowohl als Brennluft wie als Spülluft und auch zur Abkühlung der Abgase
auf die Temperatur, die als Treibgastemperatur für die Gasturbine 2 verlangt wird.
Dieses Gemisch von Abgasen und Luft wird im Be-, hälter =3 gesammelt und strömt
von dort zur Turbine. Die Gase verlassen dann nach Abgabe ihrer Arbeit die Gasturbine
bei i4.. Die Höhe des Treibgasdruckes wird bestimmt durch die Verdichtungsverhältnisse
der beiden Verdichter i und 5. Die Aufteilung der Arbeitsleistungen beider erfolgt
erfindungsgemäß derart, daß Temperatur und Menge der verdichteten Luft und Temperatur
und Menge der Abgase aus der Brenrokraftmascbine gemischt die verlangte Treibgastemperatur
ergeben. Auf der Zeichnung ist nur eine Flugkolbenmaschine dargestellt. Es können
natürlich auch mehrere vorhanden sein, die auf einen gemeinsamen Behälter 13 arbeiten.
Die Arbeitsweise wird noch weiter veranschaulicht durch das Diagramm Abb. 2. Das
Verdichtungsdiagramm für Verdichter i ist dargestellt durch u-b-c-d. Der effektive
Vorverdichtungsdruck ist durch die Höhe a-d wiedergegeben. Die durch die Fläche
a-b-c-d dargestellte Arbeit wird von der Hauptmaschine geleistet. Die Luftmenge-
c-d wird nun in den Verdichter 5 geschoben und dort von Druck a-d auf Druck d-f
verdichtet. Die Arbeitsfläche d-c-e-f ist von der Brennkraftmaschine aufzubringen.
Zur Verbrennung des Brennstoffes in der Brennkraftmaschine ist nur ein Teil der
verdichteten Luft erforderlich, etwa die Menge e-g; der Rest g-f geht durch die
Zylinder der Brennkraftmaschine hindurch, mischt sich mit den Abgasen und erniedrigt
deren hohe Temperatur. Die im Zylinder der Brennkraftmaschine verbliebene Luft wird
in diesem von e auf h verdichtet; dann wird bis i Brennstoff eingespritzt, der verbrennt
und den Kolben nach vorwärts treibt, bis die Schlitze bei k erreicht sind und der
Auspuff beginnt. Nach Entspannung der Abgase, die schließlich das Volumen g-1 einnehmen,
kommt wieder neue Luft in die Zylinder, die den Abgasrest verdrängt usf. Die positive
Arbeitsfläche der Brennkraftmaschine e-h-i-k muß gleich sein
der
Arbeitsfläche des Verdichters d-c-e-f. Die im Behälter 13 gesammelten Abgase
und Luft haben das Volumen f-Z. Sie leisten in der Gasturbine 2 Arbeit gemäß Fläche
f-L-,in-a; hiervon wird die Arbeitsfläche a-b-c-d an das Aufladegebläse abgegeben.
Man kann den Hub dieses Zylinders aber auch so groß wählen, daß die Expansion der
Gase weitergetrieben wird und daß die Auspuffschlitze erst bei n erreicht werden.
Da die Auspuff-und Einlaßschlitze vom Kolben ungefähr gleichzeitig freigegeben und
abgedeckt werden, so wird in diesem Fall die angesaugte Luftmenge zu groß. Es wird
deshalb ein Steuerorgan (Ventil) vorgesehen, das die zuviel angesaugte Menge o-e
wieder aus dem Zylinder hinausläßt, so daß die Verdichtung der Brennluft im Zylinder
wieder erst bei e beginnt. Ist die Brennkraftmaschine nicht durch Schlitze, sondern
(besonders bei Viertaktmaschinen) durch Ventile gesteuert, so kann die Ladungsverminderung
dadurch bewerkstelligt werden, daß das Einlaßventil nicht beim Hubwechsel, sondern
erst wesentlich später geschlossen wird.