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Verpuffungskammer Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verpuffungskammern,
in denen durch Verbrennung eines Brennstoffluftgemisches ein hochgespanntes, gasförmiges
Treibmittel erzeugt wird, das über ein gesteuertes Düsenventil ausströmend in einer
Expansionsdüse entspannt und zu wärmewirtschaftlichen Zwecken nutzbringend verwertet
wird, sei es zur Beaufschlagung des Laufrades einer Turbine, zur Beheizung eines
Wärmetauschers oder ähnlicher Einrichtungen der Wärmetechnik, wobei der nach beendeter
Ausdehnung der Verbrennungsgase in der Kammer verbliebene Gasrest durch Spül- oder
Ladeluft über einen im Rhythmus der verschiedenen Phasen eines Arbeitsspiels gesteuerten
Auslaß ausgetrieben wird. Aus Gründen einer konstruktiven Vereinfachung der Verpuffungskammer
hat man als Auslaß für die Restgase das Düsenventil für die hochgespannten Verbrennungsgase
benutzt, indem dieses nach beendeter Expansion der Gase auch noch während der Zeitdauer
des Ausschiebens der Restgase offen gehalten wird.
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In dem Bestreben, den Wirkungsgrad derartiger Verpuffungsanlagen zu
steigern, hat man sich bereits eingehend damit befaßt, die für den Wirkungsgrad
als maßgebend geltenden Einflußgrößen zu erforschen und in einer bestimmten Größe
und Beziehung festzulegen, um auf diese Weise den Entwurf und Bau von Verpuffungskammern
zur Erzielung günstiger Betriebs- und Wirtschaftsverhältnisse zu erleichtern. Bei
diesen Untersuchungen wurde als erstes erkannt, daß der Wirkungsgrad von Verpuffungsanlagen
in hohem Grade abhängig ist von dem Verhältnis zwischen dem engsten Düsenquerschnitt
und dem Rauminhalt der Verpuffungskammer, da dieses Verhältnis vor allem ausschlaggebend
ist für den Wärmeübergang der hochgespannten Gase an ihre Führungswandungen. Bei
näherer Untersuchung dieses Verhältnisses stellte sich entgegen der sonst herrschenden
fachmännischen Meinung heraus, daß der Austrittsquerschnitt der Düse für die hochgespannten
Gase eine bestimmte Größe nicht überschreiten darf, wenn die Verluste durch Wärmeübergang
im Führungskanal der strömenden Verbrennungsgase auf einem die Wirtschaftlichkeit
der Verpuffungsanlage nicht beeinflussenden Maß gehalten werden sollen. Nachdem
dann weiter gefunden worden war, daß der Bewegungszustand des Gasstromes die ausschlaggebende
Größe für den Wärmeübergang ist, gelangte man zu der weiteren Erkenntnis, daß es
darauf ankam, die Gaswirbelung, die erfahrungsgemäß einen hohen Wärmeübergang bewirkt,
weitmöglichst zu verringern. Um dieses als notwendig erkannte Ziel zu erreichen,
wurde nun vorgeschlagen, die Zeit für das Eröffnen des Düsenventils bis zu einem
dem kleinsten Gesamtdüsenquerschnitt entsprechenden Durchgangsquerschnitt durch
bestimmte Verringerung des engsten Gesamtdüsenquerschnittes in bezug auf den Rauminhalt
der
Verpuffungskaininer abzukürzen. Mit diesem Vorschlag sollte also erreicht werden,
die Zeitdauer für die Wirbelbewegung der strömenden Verbrennungsgase während der
Eröffnung des Düsenventils bis zu dem Durchgangsquerschnitt, welcher dem engsten
Gesamtdüsenquerschnitt entspricht, herabzusetzen und damit auch die durch die Wirbelbeweguilg
der hochgespannten Gase entstehenden Wärmeverluste. Lm einen günstigen Wirkungsgrad
der Verpuffungsanlage im vorerwähnten Sinne zu erzielen, wurde vorgeschlagen, das
Verhältnis zwischen dem engsten Düsenquerschnitt und dem Rauminhalt der- Verpuffungskammer
gleich 40 : i bis ioo : i zu wählen, wobei der Düsenquerschnitt in Quadratzentimeter
und der Rauminhalt der Verpuffungskammer in Kubikmeter auszudrücken ist: Aus dieser
aufgestellten Regel geht hervor, daß der Austrittsquerschnitt für die hochgespannten
Verbrennungsgase mit Rücksicht auf die Vermeidung eines umwirtschaftlichen Wärmeverhistes
klein gehalten werden muß, damit auch die Zeit, in der die Verbrennungsgase im Führungskanal
mit ihrer größten Geschwindigkeit strömen, klein ausfällt.
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Nachdem es mit dieser Regel gelungen war, den Wirkungsgrad einer Verpuffungskammer
durch Verringerung der Wärmeverluste bei der Expansion wesentlich zu steigern, stellte
man jedoch andererseits fest, daß Verpuffungskammern der eingangs erwähnten Art
die :Neigung haben, sich vom Arbeitstakt zu Arbeitstakt mehr und mehr bis schließlich
zu einer Grenze zu erhitzen, bei der die in die Verpuffungskammer eingeführte frische
Ladung sich bereits sofort nach Einführung in die Kammer unabhängig vom vorbestimmten
Zündzeitpunkt entzündet, so daß der weitere motorische Betrieb der Verpuffungsanlage
unmöglich ist. Die Verpuffungskammer führt also statt eines stabilen motorischen
Prozesses, bei dem die Temperaturen in den einzelnen Phasen gleichbleiben, labile
Verbrennungsvorgänge durch, bei denen sich die Temperaturen von Arbeitsspiel zu
Arbeitsspiel erhöhen. Durch eingehende Forschung nach der Ursache dieses Übelstandes
wurde dann schließlich gefunden, daß die Labilität im Ablauf der Verpuffungsvorgänge
auf eine ungenügende Verdrängung der Restgase zurückzuführen ist. Aus dieser Erkenntnis
ergab sich die Notwendigkeit, für die Verdrängungszeit, d. h. die Zeit, in der das
Ausspülen der Verpuffungskammer von den Restv erbrennungsgasen der vorhergehenden
Verpuffung sattfindet, eine bestimmte Größe zu ermitteln. Unter Zugrundelegung einer
Verpuffungskammer, deren Düsenventil gleichzeitig als Auslaß für die hochgespannten
Verbrennungsgase und die Restgase dient, wurde dann das bekannte Verfahren entwickelt,
daß das Verhältnis des Spüldruckes zum Gegendruck an der Mündung des Düsenventils
mindestens gleich dein kritischen Druckverhältnis und die Verdrängungszeit größer
ist als das Zwanzigfache des Verhältnisses zwischen Inhalt der Verpuffungskaminer
und des engsten Querschnittes des Fortleitungsteils für die hochgespannten Gase,
wobei die Verdrängungszeit in Sekunden, der Raum in Kubikmeter und der Querschnitt
in Quadratzentimeter auszudrücken ist. Unter kütischem Druckverhältnis wird hierbei
der optimale Wert für. die Verdrängungszeit verstanden, bei dem das in der Zeiteinheit
aus der Verpuffungskammer ausströmende Gewicht der Restgase sein Höchstmaß erreicht
hat, welches- also durch weitere Steigerung des Verhältnisses zwischen Spüldruck
und Gegendruck an der Ausströmmündung des erwähnten Fortleitungsteiles nicht mehr
überschritten werden kann.
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Aus dieser aufgestellten Beziehung, daß die Verdrängungszeit größer
sein muß als das Zwanzigfache des Verhältnisses zwischen Inhalt der Verpuffungskammer
in Kubikmeter und dem engsten Düsenquerschnitt in Quadratzentimeter, ergibt sich
nun, daß der engste Düsenquerschnitt mit Rücksicht auf die Erzielung günstiger Ausspülverhältnisse,
d. h. die Herbeiführung einer Stabilisierung der Verpuffungsvorgänge, einen bestimmten
Minimalwert nicht unterschreiten darf. Dieser Grenzwert stellt sich aber den Bestrebungen
der ersterwähnten Regel, die die Erzielung eines geringen Wärmeübergangs im Führungskanal
der hochgespannten Verbrennungsgase bezweckt, gerade entgegen. Nach der erstangeführten
Regel kommt es nämlich gerade darauf an, den engsten Düsenquerschnitt möglichst
klein zu halten, damit in bereits sehr kurzer Zeit der Eröffnungsquerschnitt am
Düsenventil freigegeben wird, der dein engsten Düsenquerschnitt entspricht. Der
zweiten Regel, die die Herbeiführung eines stabilen Ablaufs der Verpuffungsvorgänge
bezweckt, liegt dagegen das Bestreben zugrunde, einen möglichst großen Austrittsquerschnitt
für die Restgase zu wählen, um die Verdrängungszeit auf das praktisch überhaupt
erreichbare Mindestmaß zu beschränken; zum mindesten darf dieser Ouerschnitt einen
bestimmten Minimalwert nicht unterschreiten.
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Vorliegende Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß es konstruktiv
sehr schwierig ist, den Ouerschiiitt des Fortleitungsteils für die hochgespannten
Gase so zu bemessen, daß der Ouerschnitt den Forderungen beider Regeln gleichzeitig
im weitgehenden. Maße genügt.
- Hierdurch ist es 'ausgeschlossen,
optimale Betriebsverhältnisse in bezug auf den Ausspül- und Expansionsvorgang zu
verwirklichen -und den Wirkungsgrad von Verpuffungsanlagen_ auf ein Höchstmaß zu
bringen.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, diese Schwierigkeiten zu
beseitigen und ein Verfahren auszubilden, bei dem die Verdrängungszeit ohne Bindung
an den vom Düsenventil zu' eröffnenden Querschnitt auf das praktisch überhaupt erreichbare
Maß herabgesetzt werden kann. Die Erfindung besteht darin, daß der für die Restgase
zur Verfügung stehende engste Gesamtaustrittsquerschnitt f durch Anordnung eines
besonderen, an sich bekannten, wenigstens einen Teil der Restgase entlassenden Auspuffventils
größer ist als der aus der Beziehung 2o Z errechnete Wert, worin f der Querschnitt
in Quadratzentimeter, V der Inhalt der Verpuffungskammer in Kubikmeter und z die
Verdrängungszeit in Sekunden ist.
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Dieses Verhältnis ist ein unterer Grenzwert für leicht zündende Brennstoffe;
in Durchführung der Erfindung mit schwer entzündlichen Brennstoffen wird das genannte
Verhältnis selbstredend geändert, und zwar vergrößert.
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Die Anordnung eines besonderen Auspuffventils für die Restgase einer
Verpuffungskammer ist natürlich an sich schon bekannt. Es hat aber bei den diesbezüglichen
Vorschlägen an der Erkenntnis gefehlt, durch Bemessung des Austrittsquerschnitts
im Sinne des oben angegebenen Verhältnisses optimale Ausschubverhältnisse und damit
ein Höchstmaß an Wirtschaftlichkeit herbeizuführen.
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Auf der Zeichnung ist schematisch die beispielsweise Ausführung einer
zum Antrieb einer Brennkraftturbine dienenden Verpuffungskammer im Längsschnitt
dargestellt, die ein übliches Düsenventil und ein besonderes Auspuffventil für die
Restgase aufweist.
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Es bezeichnet i eine Verpuffungslzammer üblicher Art, 2 das Spülventil,
3 zwei Ladeluftventile und q. zwei Brennstoffeinlaßventile. Die Spülluft wird durch
die Rohrleitung 5, die Ladeluft durch Leitung 6 zugeführt, während der Brennstoff
den beiden Einlaßorganen q. durch je eine Leitung 7 zuströmt. Das in der Verpuffungskammer
sich bildende zündfähige Gemisch wird zu einem vorbestimmten Zeitpunkt mit den Zündeinrichtungen
8, z. B. Zündkerzen, entflammt. Die dabei entstehenden hocherhitzten und hochgespannten
Verbrennungsgase strömen durch Öffnen des Düsenventils 9 aus der Kammer i über den
Düsenvorraum io und die Düse ir ab, wo sie dann z. B. entsprechend dem dargestellten
Ausführungsbeispiel in einer Gasturbine 12, die als eine Verbundturbine mit zwei
hintereinandergeschalteten Rädern 13,
iq. ausgebildet ist, arbeitsleistend
ausgenutzt werden. Die aus dem letzten Rad 14 austretenden Gase strömen durch das
Auspuffrohr 15 ab. 16 ist ein besonderes Auspuffventil, das während des Ausspülvorganges
geöffnet wird. Es dient zum Abführen cler in der Kammer i nach jedem F,-apansionssuiel
verbliebenen Restgase, die durch über das Ventil z einströmende Spülluft aus der
Kammer herausgedrängt werden. Die verdrängten Restgase strömen über Leitung 17 in
das zweite Rad iq. ab.
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Erfindungsgemäß wird nun bei einer Anlage, bei der die Restgase mit
einem Spüldruck ausgetrieben werden, der zum Gegendruck hinter dem Fortleitungsteil
der Restgase zweckmäßig mindestens im kritischen Druckverhältnis steht, der Gesamtaustrittsquerschnitt
für das Austreiben der Restgase größer als der aus der Beziehung 2o Z errechnete
Wert gemacht, -worin der Austrittsquerschnitt in Quadratzentimeter, V als Inhalt
der Verpuffungskammer in Kubikmeter und z als Verdrängungszeit in Sekunden eingesetzt
ist. Die Restgase können dabei zum Teil durch das besondere Auspuffventil 16 und
gleichzeitig durch das Düsenventil 9 verdrängt werden, oder aber nur durch Ventil
16. Durch die vorgeschlagene Bauart kann man entweder die Leistung in der Zeiteinheit
erhöhen oder umgekehrt das Maschinengewicht für leine bestimmte Leistung herabziehen.
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In an sich bekannter Weise wird der engste Durchgangsquerschnitt der
Düse z i für die hochgespannten Gase in bezug auf den Rauminhalt der Verpuffungskammer
z zweckmäßig so bemessen, daß das Verhältnis von Rauminhalt der Verpuffungskammer
zum engsten Durchgangsquerschnitt der Düse i i zwischen 40 : i bis roo : i zu liegen
kommt. Der Rauminhalt ist dabei wieder in Kubikmeter und der Durchgangsquerschnitt
in OOuadratzentimeter auszudrücken. Es steht' aber andererseits auch nichts entgegen,
den Durchschnittsquerschnitt der Fortleitungsteile für die gespannten Gase mit Rücksicht
auf andere Verhältnisse und Bindungen zu bemessen. Auf jeden Fall besteht keinerlei
Bindung zwischen den Fortleitungsteilen für die hochgespannten Gase einerseits und
die Restgase andererseits.
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Zur Verwirklichung der Erfindung steht selbstverständlich nichts im
Wege, für das Ausspülen der Verpuffungskammer die Ladeluft zu verwenden und ein
besonderes Spül-
luftventil 2 fortzulassen, wie dies vielfach üblich ist.
Ebenso ist das erfindungsgemäße
Verfahren nicht auf Verpuffungskammern
zum Betrieb von Gasturbinen beschränkt; es ist durchaus unabhängig von der Art und
Weise, wie die hochgespannten Verbrennungsgase verwendet werden.