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Verpuffungskammer für Verpuffungsbrennkraftturbinen Das Patent
521 496 bezieht sich auf eine Verpuffungsbrennkraftturbine- mit dem besonderen
Kennzeichen, daß durch Verringerung des engsten Gesamtdüsenquerschnittes in bezug
auf den Räuminhalt der Brennkammer die Zeit für das Eröffnen des Düsenventils bis
zu einem dem kleinsten Düsenquerschnitt entsprechenden Durchgangsquerschnitt abgekürzt
ist, wodurch die Zeitdauer der Wirbelbewegung der strömenden Verbrennungsgase während
der Düsenventileröffnung bis zu dem dem engsten Gesamtdüsenquerschnitt entsprechenden
Durchgangsquerschnitt herabgesetzt wird, so daß die durch die Wirbelbewegung der
strömenden Gase hervorgerufenen Wärmeverluste vermindert werden.
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Genauere Untersuchungen, auf deren Ergebnissen vorliegende Erfindung
beruht, haben nun gezeigt, daß die Verminderung der Wärmeverluste nicht nur auf
die Verkürzung der Zeitdauer der Wirbelbewegung der strötnenden Verbrennungsgase
zurückgeht; sondern daß ein Teil des erreichten Erfolges der Tatsache zu verdanken
ist, daß der Düsenvorraiun, soweit er durch den engsten Düsenquerschnitt bestimmt
ist, gleichzeitig durch die Maßnahmen des Hauptpatents nach Oberfläche und Inhalt
im Verhältnis zu Oberfläche und Inhalt der Verpuffungskammer verkleinert worden
ist. Unter Düsenvorraum wird dabei der Raum zwischen Eröffnungsquerschnitt des Düsenventils
und der Mündungsebene der Düse verstanden.
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Im Hauptpatent 521 496 ist bereits dargelegt worden, welche Überlegungen
zur i'#7iederlegung der dort gegebenen technischen Lehre im einzelnen geführt haben.
Nicht maßgebend war dabei etwa die technische Vorstellung, daß ein Teil des Erfolges
der Verkleinerung des Düsenvorraumes nach Oberfläche und Rauminhalt zuzuschreiben
sei. Im Gegenteil, einer derartigen, bewußten Verkleinerung des Düsenvorraumes hätten
die mannigfachsten Gründe entgegengestanden. Denn dem Fachmann ist bekannt, daß
die Verbrennungsgase unmittelbar nach Eröffnung des Düsenventils infolge des Umstandes,
daß sie unter dem Verbrennungshöchstdruck stehen, mit außerordentlich hoher Geschwindigkeit
ausströmen. Ihm ist weiter bekannt, daß gerade in den allerersten Zeitelementen
des
Ausströmvorganges verhältnismäßig große Gewichte an Verbrennungsgasen ausströmen,
so daß nicht nur die Geschwindigkeit groß ist, sondern auch die Gasmasse. Der Fachmann
ist also davon unterrichtet, daß gerade in den ersten Zeitelementen der Düsenventileröffnung
hohe Kraftwirkungen auf die Schaufeln ausgeübt werden, wenn nicht Mittel vorgesehen
sind, die den erheblichen Kraftstoß abdämpfen. Als derartige Mittel wurde schon
im Anfang der technischen Entwicklung von Verpuffungsbrennkraftturbinen eine bestimmte,
nicht zu unterschreitende Größe des Düsenvorraumes ermittelt, wobei die dämpfende
Wirkung durch Vergrößerung des Vorraumes auf beliebige Werte gesteigert werden konnte.
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Dazu kommt das Bestreben, den Düsenvorraum konstruktiv aus einem Stück
mit dem Düsenventilkasten anzufertigen, weil man Flansche im Kühlraum möglichst
vermeiden will. Der Düsenvorraum kann somit nicht nur nach physikalischen Überlegungen
entworfen werden, sondern es treten gießtechnische Bedingungen und die Frage auf,
wie sich der f lbergang zu den Düsen unter den Verbrennungshöchsttemperaturen verhält.
Denn die große Wärmebeanspruchung des Düsenvorraumes infolge der hohen in ihm auftretenden
Strömungs- und Wirbelgeschwindigkeiten war verhältnismäßig frühzeitig erkannt worden.
Die Wandungen durften also nicht zu stark gemacht werden. Für die gleiche Bemessung
sprach die Überlegung, daß der Düsenv orraum starken Wärmedilatationen ausgesetzt
ist, so claß seine Wandungen, um die Relativbewegungen gegen das "starre Gehäuse
des Düsenventilkastens aufnehmen zu können, elastisch auszubilden waren, also nicht
nur dünnwandig, sondern auch etwa S-förniig gelcriinniit.
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Auf der anderen Seite waren die Beanspruchungen bekannt, gegen die
man den Düsenvorraum zu sichern hatte, insbesondere die Höhe des Wärmeüberganges
und damit die Wärinev erluste. Man mußte sie als unabänderlich in den Kauf nehmen,
weil inan es nicht wagen konnte, bei dein Stande der Brennkraftturbinentechnik auf
die Abdämpfung der Verbrennungsgasstöße mittels verhältnismäßig großer Düsenvorräume
zu verzichten. Ganz abgesehen hiervon, sprach eine naheliegende technische überlegung
dafür, daß der Düsenvorraum genau so wirkt wie der schädliche Raum einer Dampfmaschine
oder eines Kolbenverdichters, also druckmindernd, so daß physikalische, betriebstechnische
und bauliche Gründe. gegen die Verkleinerung des Düsenvorraumes sprachen.
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Schließlich machte rein meßtechnisch die Feststellung des Druckabfalles
bzw. des Druckanstieges im Düsenvorraum Schwierigkeiten, weil diese Vorgänge sich
stoßmäßig in sehr kurzer Zeit abspielen. Infolge der dynamischen Stoßwirkungen in
Verbindung mit der Masse des Indikätorkolbens wird der Schreibstift des den Druck
im Düsenvorraum anzeigenden Indikators weit über die Stellung hinausgeschleudert,
welche dem wirklichen Druck im Düsenvorraum entspricht. Erst mit Differenzdruckindikatoren
gelang es, die Kurve des Druckanstieges im Düsenvorraum bis zum Schnittpunkt der
Drucklinie mit derjenigen der Kammer genau festzulegen, so daß erst auf Grund dieser
Messungen die Erkenntnis zu ermitteln war, auf der sich vorliegende Erfindung aufbaut.
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Die neue Erkenntnis besteht darin, daß Oberfläche und Inhalt des Düsenvorraumes
nicht nur abhängig sind von dem engsten Düsenquerschnitt, sondern daß die Gestaltung
des Düsenvorraumes nach Oberfläche und Inhalt vor allem beeinflußt wird durch die
Ausbildung der Düse selbst. Während jedoch die Abhängigkeit zwischen engstem Düsenquerschnitt
und durch seine Bemessung bestimmten Teil des Düsenvorraumes nach Oberfläche und
Inhalt verhältnismäßig eng ist, so daß beispielsweise eine Verkleinerung des engsten
Düsenquerschnittes eine entsprechende Verkleinerung des in Abhängigkeit vom engsten
Düsenquerschnitt bestimmten Düsenvorraumteiles geradezu zwangsläufig nach sich zieht,
ist der Zusammenhang zwischen der Düsenausbildung und durch die Düsenausbildung
nach Inhalt und Oberfläche beeinflußten Düseiivorraumteil nicht so erheblich; er
ist vor allem dadurch gegeben, daß sich bei Ausbildung der Düse als Mehrfachdüse
Inhalt und Oberfläche des Düsenvorraumes einem Grenzwert nähern, der durch keinerlei
Maßnahmen unterschreitbar wird. _ Hier setzt vorliegende Erfindung mit dem Vorschlag
ein, auch den durch Ausbildung der Düse bedingten Teil des Düsenvorraumes nach Oberfläche
und Inhalt durch Anordnung einer einzigen Düse für den gesamten Düsenvorraum zu
verkleinern, wobei wieder der engste Querschnitt der einzigen Düse gleich ist der
Summe der engsten Durchflußquerschnitte der entsprechenden Mehrfachdüse.
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Es ist zwar schon vorgeschlagen worden, die in einer Verpuffungskaintner
erzeugten Verbrennungsgase durch eine einzige dieser Verpuffungskammer zugeordnete
Düse zu entlassen. Bei den Vorschlägen dieser Art fehlte jedoch die vorliegender
Erfindung zugrunde liegende, oben dargelegte Erkenntnis. Trotzdem durch Anordnung
einer Eindüse die Möglichkeit bestanden hätte, den Düsenvorraum nach Oberfläche
und Inhalt auf ein bisher nicht verwirklichbares Kieiustmaß zii
bringen,
blieb sie unbeachtet, so daß die bekannten Einrichtungen Düsenvorräume von einem
Ausmaße aufweisen, das jede Wirtschaftlichkeit des Turbinenbetriebes ausschließt.
Außerdem sind bei den bekanntgewordenen Vorschlägen die Querschnittsverhältnisse
so verzerrt wiedergegeben, daß der Fachmann von einer maßstäblich richtigen Verwirklichung
dieser Vorschläge in der Überlegung abgeschreckt worden wäre, daß bei Eindüsen von
derartig großem Querschnitt die erforderliche Führung der Gase nicht mehr gewährleistet
werden könne, so daß derartige Konstruktionen aus diesem Grunde zu verwerfen wären.
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Demgegenüber haben Versuche erwiesen, daß auch bei Eindüsen in maßstäblicli
richtigen Verhältnissen die erforderliche gute Führung der Gase gewährleistet ist.
Andererseits hat die Entwicklung der Schaufelbaustoffe eine Höhe erreicht, die ohne
weiteres eine dämpfungslose Gasstoßabnabrne gewährleistet, so daß die Rücksichten,
die bisher einer bewußten Verkleinerung des Düsenvorraumes entgegenstanden, durch
diese Fortschritte der Technik fortgefallen sind. Schließlich hat man in betrieblicher
und konstruktiver Hinsicht eine Entwicklung zu verzeichnen, welche die auch in diesen
Richtungen aufgetretenen Hemmungen völlig beseitigte, so daß sich der Verwirklichung
des Erfindungsgedankens keine Schwierigkeiten mehr entgegenstellten.
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Die Zeichnung stellt eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsgedankens
dar. Abb. i zeigt einen teilweisen senkrechten Schnitt durch eine erfindungsgemäß
ausgebildete Brennkraftturbine, Abb. -2 einen waagerechten Schnitt durch den Düsenvorraum
nach Linie 11-11 der Abb. i Abb. 3 gibt einen Schnitt längs der Düsenachse nach
Linie III-III der Abb. i, Abb. d. eine Vorderansicht auf die Düsenriuslüsse, in
Längsrichtung der Turbinenwelle gesehen, wieder.
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Die dargestellte Anordnung enthält mehrere Verpuffungskamniern io
mit zweckentsprechenden Vorrichtungen für die Zuführung von Luft und Brennstoff
und iür die Entzündung des erzeugten zündfähigen Geinisches: Diese Vorrichtungen
bilden nicht Gegenstand vorliegender Erfindung, so daß sie nicht näher dargestellt
und beschriebt:n werden. Die durch Zündung der zündfähigen Gemische erzeugten hochgespannten
und hocherhitzten Verbrennungsgase strömen nach Eröffnung des Düsenventils 12 in
die Düsenvorräume i i. Diese Düsenvorräume sind erfindungsgemäß dadurch nach Oberfläche
und Inhalt verkleinert, daß je Düsenvorraum eine einzige Düse vorgesehen ist, wobei
der engste Durchflußquerschtiitt dieser Düse gleich ist der Summe der engsten Durchflußquerschnitte
der entsprechenden Mehrfachdüse.
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Der Düsenvorraum T i ist in der \Tälie des Düsenventils verhältnismäßig
breit und verengt sich trichterartig nach der Düse 13 zu (Abb.2). Die Auslässe der
Düsen befinden sich unmittelbar an der Kreisfläche der _ Schau- -feln 14 auf dem
Laufrad 15 bzw. an dem ersten Radschaufelkranz, wenn, wie gezeigt, das Laufrad mehrere
Schaufelkränze besitzt; in diesem Falle liegt ein fester Leitschaufelkranz 16 zwischen
den Radschaufelkränzen.
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Wie die Zeichnung zeigt, liegt der engste Querschnitt der Eindüse
selbst bei 13' verhältnismäßig nahe am Düsenvorraum, wobei sich die Düse in den
Teilen i3d und iah nach beiden Richtungen zum Düsenein- und -auslaß hin erweitert.
Die Richtungslage der Düse ist schräg sowohl in ihrer Achsenebene (Abb. i) wie längs
der Turbinenachse; Düseneinlässe und Düsenauslässe liegen somit in verschiedenen
Achsebenen, der Auslaß in Drehrichtung des Turbinenlaufrades vor dem Einlaß. Uni
die Düse ist ein Kühlraum 13"
vorgesehen, der von einem kühlenden Mittel durchflossen
sein kann. Auch der Düsenkanal i i weist entsprechende Kühlräume auf.
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Man erkennt, daß der durch die Ausbildung der Düse bedingte Teil des
Düsenvorraumes durch die Anordnung einer einzigen Düse nach Oberfläche und Inhalt
auf ein nicht unterschreitbares Kleinstmaß verkleinert ist.