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Verfahren zur Aufladung mehrerer in ihren Arbeitsgängen versetzt arbeitender
Verpuffungskammern, insbesondere für Brennkraftturbinen In Verpuffungskammern, wie
sie insbesondere in Brennkraftturbinen zur Erzeugung der hochgespannten, das Laufrad
beaufschlagenden Verbrennungsgase Verwendung finden, erfolgt die Verpuffung in einem
allseitig geschlossenen Verbrennungsraum gleichbleibenden Rauminhaltes ohne Abgabe
äußerer Arbeit. Zur Durchführung des Verfahrens ist es erforderlich, in der Verpuffungskammer
ein zündfähiges Gemisch aus Luft (Sauerstoff) und Brennstoff zu erzeugen. Um das
Verfahren wirtschaftlich durchführen zu können, muß die Aufladung der Verpuffungskammer
mit zündfähigem Gemisch bei Drücken vollzogen werden, die erheblich oberhalb der
Atmosphäre liegen. Dabei ergeben sich zwei Möglichkeiten. Man kann die zur Bildung
des zündfähigen Gemisches erforderliche Ladeluft bereits zu einem Zeitpunkt einführen,
in dem der Druck der Verbrennungsgase in der Kammer durch Expansion der Gase gerade
einen Wert erreicht hat, der dem Ladedruck entspricht. In diesem Balle muß also
die gesamte Verbrennungsluft auf den vollen Ladedruck verdichtet werden, so daß
sich eine verhältnismäßig große Verdichtungsarbeit ergibt. Um diese Verdichtungsarbeit
zu verringern, führt man die Expansion der Verbrennungsgase bei einem zweiten Verfahren
bis etwa zur Atmosphäre durch; die Ausschiebung der .Restverbrennungsgase erfolgt
hierbei nicht mehr durch unter vollem Ladedruck stehende Verbrennungsluft, sondern
durch Luft von der Spannung der Restfeuergase bzw. einer Spannung, die zur Überwindung
der Bewegungswiderstände nur wenig über der Spannung der Restfeuergaseliegt. Die
auf den Ladedruck verdichtete Luft expandiert somit bei Beginn der Ladung und füllt
die Verpuffungskammer unter teilweiser Vernichtung ihrer Energie auf den vollen
Ladedruck auf. Die Vernichtung der Energie erfolgt dabei in der Weise, daß das Betriebsmittel
infolge des zunächst auftretenden großen Druckgefälles zwischen Ladedruck und Druck
der -Restfeuergase in der Verpuffungskammer eine sehr große Geschwindigkeit annimmt,
die dann in der Verpuffungskammer unter Bildung von Wirbeln abgebremst wird. Diesem
Energieverlust entspricht ein Arbeitsaufwand, der erforderlich ist, um die . Luft
aus dem Verdichtungsraum des Verdichters in die Verpuffungskammer hinüberzuschieben.
Dieser Arbeitsaufwand sei abgekürzt mit dem Ausdruck Ausschubarbeit bezeichnet.
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Beseitigt man nun diese Ausschubarbeit, wie dies bei gemischverdichtenden
Anlagen bekanntgeworden ist, dadurch; daßj man den Verdichtungsraum des Verdichters
bereits während der Verdichtung mit dem Laderaum der Verpuffungskammer in Verbindung
bringt, so ergeben sich erhebliche Schwierigkeiten dadurch, daß bei Kolbenverdichtern
die Dauer des Verdichtungshubes durch die minutliche Hubzahl des Verdichters vorbestimmt
ist, während
andererseits die Verdichtungsspanne innerhalb des Arbeitsspieles
einer Verpuffungskammer verhältnismäßig kurzzeitig ist; damit die Verbindung zwischen
Arbeitsraum des Verdichters und Kammerladeraum bereits während der Verdichtung möglich
ist, müssen aber beide Arbeitszeiten genau übereinstimmen. Es läge nahe, die Abstimmung
zwischen dem Verdichtungshub eines Kolbenverdichters und dem Ladevorgang einer Verpuffungskammer
dadurch herbeizuführen, daß der Aufladevorgang künstlich so verlängert wird, daß
er dem Rest des Arbeitsspieles der Verpuffungskammer zeitlich gleich wird; das aber
führt zu einer Vergrößerung der Gesamtzeit eines Arbeitsspieles und damit zu einer
Verringerung der Leistung. Außerdem ergibt sich eine so niedrige Drehzahl für den
Verdichter, daß dessen Größe unwirtschaftlich wird. Ein anderer Weg wäre der, das
Einlaßventil des Verdichters nur während der Zeit zu schließen, in welcher der Aufladevorgang
durchgeführt werden muß und in der Zwischenzeit das Einlaßventil, auch während des
Verdichtungshubes des Verdichters, offen zu halten und so den Verdichter leerlaufen
zu lassen. Es ist aber ganz offensichtlich, daß bei einem derartigen Verfahren der
Verdichter schlecht ausgenutzt wird und infolge der Reibungsverluste einen schlechten
Wirkungsgrad ergibt. Hier setzt vorliegende Erfindung in der Erkenntnis ein, daß
man durch gleichzeitige Versorgung einer Reihe von Verpuffungskammern mit gespannter
Luft von einem gemeinsamen Kolbenverdichter aus die Möglichkeit gewinnt, die Ladevorgänge
zeitlich so zu versetzen, daß sich jeder einzelne Ladevorgang völlig mit einem Verdichtungshub
des Verdichters deckt. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufladung mehrerer in
ihren Arbeitsgängen versetzt arbeitender Verpuffungskammern, insbesondere für Brennkraftturbinen,
bei denen der Verdichterarbeitsraum bereits während der Verdichtung mit dem Kammerladeraum
in Verbindung steht, kennzeichnet sich somit dadurch, daß der Arbeitsraum eines
für mehrere Kammern gemeinsamen Kolbenverdichters während jedes Verdichtungshubes
mit dem Laderaum derjenigen Verpuffungskammer in Verbindung gebracht wird, deren
beginnender Ladevorgang sich zeitlich mit dem zu ihrer Aufladung führenden Verdichtungsvorgang
im Kolbenverdichter deckt.
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Es ist zwar bekannt, von einem gemeinsamen Kreiselverdichter aus mehrere
Verpuffungskammern mit Luft zu versorgen. Bei einer derartigen Anlage fehlt jedoch
die Möglichkeit einer Ersparnis der Ausschubarbeit, so daß auch nicht die Notwendigkeit
einer Abstimmung zwischen je einem Ladevorgang und einem Verdichtungshub auftritt.
Schließlich hat man bei Zweitaktmaschinen bereits besondere Ladepumpen vorgesehen,
welche ihre Ladung ohne Verdichtung in den Laderaum des zugeordneten Arbeitszylinders
überschieben. Hier ist die Abstimmung ohne weiteres gegeben, da Ladepumpen und Arbeitszylinder
auf dasselbe Triebwerk arbeiten. Die Möglichkeit zur Entstehung von Auffüllverlusten
tritt überhaupt nicht auf, weil die Ladungen ohne Verdichtung in den Arbeitsraum
übergeschoben werden; nur bei höheren Verdichtungsdrücken wird aber der Gewinn an
Ausschubarbeit beachtlich, so daß die bei derartigen Anlagen bekanntgewordene Abstimmung
nur zufällig bzw. zwangsläufig aufgetreten ist, ohne daß die erfindungsgemäß gewährleisteten
Vorteile erreicht wurden.
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Eine beispielsweise Ausführungsform einer zur Durchführung des neuen
Verfahrens geeigneten Einrichtung zeigt die Zeichnung, und zwar gibt Abb. i einen
senkrechten Längsschnitt durch den Verdichter mit den Verpuffungskammern wieder,
die von ihm aus mit Ladeluft versorgt werden. Abb. a gibt das Druckraumdiagramm
einer Anlage nach Abb. i wieder, während Abb.3 die Größe der Verdichtungsarbeit
in Abhängigkeit von den Verdichtungsverhältnissen darstellt.
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Bei den bekannten Verfahren erfolgt die Verdichtung der als Betriebsmittel
insbesondere in Betracht kommenden Verbrennungsluft nach Linie I in Abb. a, so daß
die aufzuwendende Verdichtungsarbeit bestimmt ist durch die Diagrammfläche a-b-c-d-a.
Bei dem bekannten Verfahren mit Verbindung des Verdichterarbeitsraumes während der
Verdichtung mit dem Kammerladeraum verläuft die Verdichtungslinie nach II und die
Verdichtungsarbeit ist gegeben durch die Diagrammfläche a-c-d-a. Man erkennt sofort,
daß der Arbeitsaufwand bei dem nach Verdichtungslinie II arbeitenden Verfahren erheblich
geringer ist als bei dem Verfahren, bei dem die Ausschubarbeit aufgewendet werden
muß; der Arbeitsgewinn entspricht der Fläche a-b-c-a. Die prozentuale Höhe des Gewinnes
ist aus Abb. 3 zu entnehmen, in der Linienzug II' die Verdichtungsarbeit bei einstufiger
Verdichtung unter Ersparnis der Ausschubarbeit veranschaulicht, während Linienzug
I' die Verdichtungsarbeit bei einstufiger Verdichtung unter Berücksichtigung der
Ausschubarbeit wiedergibt.
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Was für die einstufige Verdichtung ausgeführt worden ist, hat erhöhte
Bedeutung bei der mehrstufigen Verdichtung, da durch die Verringerung bzw. Ersparnis
der Ausschubarbeit bei dieser eine bisher unbekannte Verkleinerung der Verdichterabmessungen
erreicht werden kann. Bei einem derartigen Verfahren würde das Betriebsmittel, insbesondere
also die Ladeluft, auf einen Zwischendruck verdichtet werden, wobei der mit diesem
Betriebsmittel zu ladende Kammerraum mit dem Verdichtungsraum
des
betreffenden Betriebsmittelverdichters während der Verdichtung bis auf den Zwischendruck
in Verbindung steht. Die Verdichtung bis auf den Zwischendruck erfolgt also ohne
Leistung von Ausschubarbeit. Hierauf wird bereits unter Zwischendruck stehendes
Betriebsmittel von dem Zwischendruck bis zum Ladedruck verdichtet, während der Kammerraum
wieder mit dem Verdichtungsraum des vom Zwischendruck auf den Ladedruck verdichtenden
Verdichters in Verbindung steht.
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Die Abb. 2 und 3 veranschaulichen das neue 'Verfahren. Zunächst verläuft
die Verdichtungslinie in der ersten Stufe nach Linie IV, so daß in der ersten Stufe
in an sich bekannter Weise die Diagrammfläche a-e-i-a durch Ersparnis der Ausschubarbeit
gewonnen wird. Diese Diagrammfläche ist jedoch verschwindend gering gegenüber dem
Arbeitsgewinn, der durch Ersparnis der Ausschubarbeit in der zweiten Stufe entsteht.
In dieser zweiten Stufe verläuft die Verdichtungslinie nach Linie V, die im Punkt
k der Zwischendrucklinie beginnt, weil die Betriebsmittelmenge, die in der ersten
Stufe verdichtet worden ist und mit dem Zwischendruck der Verpuffungskammer erfüllt,
in der zweiten Stufe nicht mehr verdichtet zu werden braucht. Wäre in der zweiten
Stufe die Ausschubarbeit nicht durch Verbindung des Verdichterarbeitsraumes mit
dem zu ladenden Kammerraum erspart worden, so wäre die Verdichtungslinie nach III
verlaufen, die im Punkt f der Zwischendrucklinie beginnt. Demgemäß ist in der zweiten
Stufe die Arbeitsfläche f-g-c-k-f gewonnen worden. Die gewonnenen Arbeitsflächen
a-e-i-a und f-g-c-k-f sind zur besseren Hervorhebung schraffiert worden. In Abb.3
sind die entsprechenden Verdichtungsarbeiten in Abhängigkeit vom Verdichtungsverhältnis
veranschaulicht worden. Es entspricht der Linienzug I', III' der Verdichtungsarbeit
bei zweistufiger Verdichtung, die infolge der Leistung der Ausschubarbeit aufgewendet
werden muß, während der Linienzug IV', V' der Verdichtungsarbeit bei zweistufiger
Verdichtung unter Ersparnis der Ausschubarbeit entspricht. Man erkennt den erheblichen
Fortschritt durch Ersparnis der Ausschubarbeit gerade in der zweiten Stufe im Verhältnis
zu dem bei der einstufigen Verdichtung bereits erreichten Gewinn. Dieser Gewinn
vergrößert sich um so mehr, je größere Verdichtungsverhältnisse angewandt werden,
so daß eine progressive Steigerung des Wirkungsgrades zu erwarten ist, wenn man
berücksichtigt, daß mit der Steigerung der Ladebrücke an sich eine Wirkungsgraderhöhung
verbunden ist, die unabhängig vom Verdichtungsarbeitsgewinn entsprechend dem Unterschied
der Kurven I', II' und I', III' bzw. IV', V' bleibt.
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Was für die zweistufige Verdichtung ausgeführt worden ist, gilt sinngemäß
für jede mehrstufige Verdichtung der Betriebsmittel, insbesondere der Ladeluft.
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Aus dem Vergleich der Diagrammflächen f-g-c-k-f und a-e-i-a in Abb.
a geht nun ohne weiteres hervor, daß der Gewinn in der ersten Stufe den baulichen
Aufwand, der zur Erzielung dieses Gewinnes erforderlich ist, bei kleineren Anlagen
keinesfalls rechtfertigt; bei größeren Anlagen entsteht jedoch bei entsprechender
Wahl der Zwischendrucklinie die Möglichkeit, daß das oben beschriebene Verfahren,
das mit Ersparnis der Ausschubarbeit in allen Stufen arbeitet, beachtliche Vorteile
gewährt. In weiterer Durchführung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, auf
den Fortfall der Ausschubarbeit in den unteren Verdichtungsstufen, insbesondere
bei zweistufiger Verdichtung in der ersten Stufe, ganz zu verzichten, um dafür eine
baulich um so einfachere und betriebssichere Anordnung zu erhalten. Dieser Verzicht
gewährt den weiteren Vorteil, daß die gesamte Verdichtung auf den Zwischendruck
wie bisher unabhängig von dem die Ausschubarbeit sparenden Verdichter und von der
Verpuffungskamrner erfolgen kann und daß der für die höhere Verdichtungsstufe, insbesondere
für die höchste Stufe, erforderliche Verdichter sehr klein und einfach ausfällt,
so daß hier ein maßgeblicher Gewinn an Verdichtungsarbeit mit besonders einfachen
Mitteln erreicht wird. So stellt beispielsweise für die zweistufige Verdichtung
Linienzug VI in Abb. 3 die Verdichtungsarbeit dar, die bei Fortfall der Ausschubarbeit
lediglich für die zweite Verdichtungsstufe insgesamt aufzuwenden ist. Die Kurve
VI liegt einerseits sehr nahe an den Kurven IV', V' und besitzt andererseits immer
noch einen Abstand von der Kurve I', III', so daß die Anwendung der Zwischenlösung
die erstrebten Vorteile erreichen läßt, ohne daß ein unnötiges Mehr an Arbeitsmitteln
erforderlich ist im Vergleich zu den Arbeitsmitteln, die beim bisherigen Verfahren
erforderlich werden.
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Abb. z zeigt nach dieser diagrammatischen Darstellung der Fortschritte,
die durch Ersparnis der Ausschubarbeit in den höheren Stufen eintreten, die beispielsweise
Ausführung einer Anlage, die mit der an sich bekannten Ersparnis der Ausschubarbeit
bei einstufiger Verdichtung arbeitet, gleichzeitig aber die besonderen Aufgaben
löst, die hinsichtlich der erforderlichen Abstimmung zwischen minutlicher Hubzahl
eines Verdichters bei wirtschaftlicher Größe desselben und den üblichen Arbeitsspielzahlgn
von Verpuffungskammern auftreten. Diese Abstimmung ist erfindungsgemäß dadurch durchgeführt
worden, daß der Arbeitsraum des für mehrere- Kammern gemeinsamen Kolbenverdichters
während jedes
Verdichtungshubes mit dem Laderaum derjenigen Verpuffungskammer
in Verbindung gebracht ist, deren beginnender Ladevorgang sich zeitlich mit dem
zu ihrer Aufladung führenden Verdichtungsvorgang im Kolbenverdichter deckt; dabei
steht der Verdichterarbeitsraum bereits während der Verdichtung mit dem Kammerladeraum
in an sich bekannter Weise in Verbindung.
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In der Abb. i stellt zunächst i eine der Verpuffungskammern dar, die
mit ihren Längsachsen auf einem Zylindermantel angeordnet sind, dessen Achse mit
der Wellenachse des Turbinenlaufrades übereinstimmt. Jede Verpuffungskammer weist
ein Auslaßventil 2 auf, über welches die Verbrennungsgase nach der Zündung und Verpuffung
zum Turbinenlaufrad 3 hin abströmen und dieses über die Düse q. beaufschlagen. Über
das Ventils strömt die Spülluft ein, welche die Verbrennungsgase nach erfolgter
Expansion bis auf den Spülluftdruck über das geöffnete Düsenventil e in an sich
bekannter Weise ausschiebt. Das Einlaßorgan 6 dient zur Steuerung der Ladeluft,
die eines der Betriebsmittel ist, welche der Verpuffungskammer im verdichteten Zustand
anzuliefern sind. Die Steuerung der Ventile erfolgt in an sich bekannter Weise über
Ölkolben 7.
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Das Einlaßorgan 6 für die Ladeluft bildet gleichzeitig das gesteuerte
Auslaßorgan eines Verdichters, dessen Kolben mit 8 und dessen Zylinder mit 9 bezeichnet
ist. Drosseldüsen =i, die zwischen dem Verdichtungsraum =o des Verdichters und dem
Ventilinneren 12 angeordnet sind, verhindern ein Rückschlagen von Feuergasen aus
der Verpuffungskammer x in den Verdichtungsraum =o.
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Der Kolbenkompressor 8, 9 saugt beim Auswärtshub über die Einlaßventile
i3 Luft von dem Druck an, unter dem die Verpuffungskammer i durch das Spülluftventil
5 von den Verbrennungsgasen gereinigt wurde. Diese Luft wird beim Einwärtshub des
Kolbens 8 unter gleichzeitiger Eröffnung des Ventils 6 unmittelbar in die Verpuffungskammer
i hinein verdichtet, worauf sich Einlaßorgan 6 schließt. Das Ladelufteinlaßorgan
nimmt gleichzeitig die Zuführungsorgane für den flüssigen Brennstoff in sich auf;
in dem Zeitpunkt, in dem der Kolben 8 den inneren Totpunkt erreicht hat und sich
Einlaßorgan 6 geschlossen hat, erfolgt die Brennstoffeinspritzung und gleich darauf
über Zündkerze 14 die Zündung des gebildeten zündfähigen Gemisches. Während der
Zündung in der Kammer i und der Expansion der erzeugten Verbrennungsgase nach Öffnung
des Düsenventils 2 sowie während der Ausspülung der Verpuffungskammer'durch über
Ventil s zutretende Spülluft erfolgt nacheinander im selben Takt Ansangung neuer
Luft durch den Kolbenverdichter und Aufladung der anderen Verpuffungskammern x von
demselben Verdichter 8, 9 aus hintereinander. Voraussetzung dieses Verfahrens bildet
eine, entsprechende zeitliche Versetzung der Arbeitstakte in diesen Kammern.
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Die beschriebene Ausführüngsfonn der Vorrichtung gilt dabei sowohl
für einstufige als auch für zweistufige Verdichtung nach dem Verfahren, bei dem
die Ausschubarbeit für die erste Stufe in Kauf genommen wird, so daß sie lediglich
in. der zweiten Stufe fortfällt. Naturgemäß wird bei Anwendung des letzteren Verfahrens
die Leistungsabgabe der Turbine bei den gleichen Abmessungen des Verdichters und
der Verpuffungskammern um ein Vielfaches größer. Dementsprechend erhält der Verdichter
bei Durchführung des letzteren Verfahrens über die Einlaßventile 13 Ladeluft von
der Zwischendruckspannung, die bei Weiterverdichtung während des Einwärtshubes des
Verdichters über das bereits geöffnete Ventil 6 in. die Verpuffungskammer i unter
Ladespannung einströmt. Eine Ausschubarbeit während dieser zweiten Verdichtungsstufe
tritt also nicht mehr auf und der erforderliche Arbeitsaufwand bewegt sich nach
dem Linienzug VI der Abb. 3 im Gegensatz zu dem Arbeitsaufwand nach Linie I', III',
die bei Durchführung des früheren Verfahrens auftrat.