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Gasturbine reit umlaufendem Treibgaserzeuger Die Erfindung betrifft
eine Gasturbine mit einer im Innern des Turbinenrades gleichachsig angeordneten,
als Treibgaserzeuger dienenden mehrzylindrigen Brennkraftkolbenmaschine in Gestalt
eines Läufers, der sämtliche Verbrennungszylinder und die zugehörigen Kolben in
sich einschließt und an seinem Umfang Ausflußdüsen für das Treibgas trägt.
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Bei einer bekannten Gasturbine dieser Art wird die Energie der Verbrennungsgase
zunächst dazu benutzt, die Kolben in den Verbrennungszylindern des Treibgaserzeugers
auswärts zu treiben und dadurch mittels Kurvenbahnen, in die die Kolbenzapfen eingreifen,
die Maschine anzutreiben, und hierauf wird nur der Rest der in den Verbrennungsgasen
enthaltenen Energie in der den Läufer umgebenden Turbinenschaufelung ausgenutzt.
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Andererseits sind kreisende Kolbenkraftmaschinen bekannt, die ihre
gesamte Kraftleistung auf die Welle des Läufers abgeben, wobei das feststehende,
den Läufer umgebende Gehäuse für die Ableitung der vollständig entspannten Abgase
und für die Zufuhr frischen Gemisches dient. Bei solchen reinen Kolbenkraftmaschinen
wurden auch bereits federbelastete, paarweise durch Schwinghebel miteinander gekuppelte
Kolben verwendet.
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Ferner wurde bereits für Verpufturigsturbinen vorgeschlagen, das brennbare
Gemisch in Zylindern, deren Ein- und Auslaß durch Ventil oder Drehschieber gesteuert
wird und in denen federbelastete Kolben hin und her schwingen können, zu entzünden
und die Verbrennungsenergie vorübergehend in den federbelasteten Kolben aufzuspeichern,
um einen gleichmäßigeren Triebdruck zu Crzielen. Das gesamte Arbeitsspiel vollzieht
sich hierbei aber in zwei aufeinanderfolgenden Kolbenhüben.
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Es ist ferner bekannt, mehrere eine Verpuffungsturbine speisende Treibgaszylinder
umlaufen zu lassen und derart miteinander zu verbinden, daß beim Verbrennungshub
eines Zylinders das hinter dem Kolben befindliche Frischgas verdichtet und in den
nächstfolgenden Zylinder befördert wird, wobei die Kolbenbelastungsfedern die Kolben
in jene Stellung zurückbringen, in der der Eintritt von Frischgas in die von der
Kolbenrückseite abgegrenzte Zylinderseite zugelassen ist. Auch hier arbeiten die
Treibgaszylinder im Zweitakt.
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Ferner sind Gasturbinen mit einer mehrzylindrigen, als Treibgaserzeuger
dienenden Brennkraftkolbenmaschine bekanntgeworden, deren Zylinder im Viertakt in
der Weise arbeiten, daß von vier an eine schwinende Scheibe angeschlossenen. Zylindern
je' zwei um zwei Takte gegeneinander versetzt arb-,iten, wobei einer Verbrennung
in dem einen Zylinder ein Ansaugen in dem anderen entspricht. Die Frischladung wird
hier unter Druck zugeführt, und es erfolgt in den Zylindem
nur
eine Nachverdichtung. Im Anschluß an die Zufuhr der verdichteten frischen Luftladung
wird von dem öffnen der Schlitze, die bei dieser Bauart in der Zylinderwandung vorgesehen
sind, bis zu ihrem Abschluß verdichtete Luft durch die Zylinder zur Kühlung der
Turbine in diese übergeleitet, und erst dann setzt die Nachverdichtung in dem letzten
Teile des zweiten Hubes ein. Es handelt sich also auch bei dieser Bauart nicht um
ein vollständiges und regelrechtes Viertaktverfahren mit je einem vollen Hub für
die Verbrennung und Dehnung der Ladung, für das Ausschieben der Treibgase, für die
Zufuhr (das Ansaugen) der frischen Ladung und für ihre Verdichtung.
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Dieser regelrechte Viertakt wird nach der Erfindung im wesentlichen
dadurch verwirklicht, daß die Treibgaszylinder zu je zweien im Läufer in der Weise
angeordnet sind, daß zwei Kolben durch einen federbelasteten, um die Turbinenachse
frei schwingenden doppelarmigen Hebel miteinander gekuppelt sind und daß die Zylinder
bei der Drehung des Läufers mit Frischgasöffnungen, Zündstellen und Ausflußstellen
in der feststehenden Läuferbahn derart in und außer Verbindung treten, daß beide
Zylinder nach einem vollständigen, regelrechten Viertaktverfahren, aber um zwei
Takte gegeneinander versetzt arbeiten, und zwar in der Weise, daß ein Zylinder beim
Vorbeigehen des Läufers an einer Zufuhröffnung mit frischem Gemisch gefüllt und
naeh der Entzündung der verdichteten Ladung an einer Zündstelle während des Verbrennungstaktes
verschlossen bleibt, so daß die Verbrennungsenergie vollständig zur Verschiebung
der beiden miteinander gekuppelten Kolben verwendet und in den Belastungsfedern
aufgespeichert wird, die nach der weiteren Drehung des Läufers bis zu einer Ausflußöffnung
das Treibgas mittels des einen Kolbens aus dem Zylinder dem Turbinenrad zuschiebt
und gleichzeitig die frische Ladung im zweiten Zylinder verdichten hilft.
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Das regelrechte Viertaktverfahren in Verbindung mit einer weit getriebenen
Expansion (die Zylinder sollen mindestens während des Verbrennungsvorganges verschlossen
bleiben, so daß die Energie der Verbrennungsgase ausschließlich zur Verschiebung
der Kolben und Anspannung der Federn verwendet wird) bedeutet eine vollkommene Ausnutzung
der Energie des Treibstoffes und bewirkt, daß die Turbinenschaufelung übermäßigen
Temperaturen nicht ausgesetzt wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. Abb. r zeigt eine Gasturbine zum Antrieb einer Luftschraube im Querschnitt,
Abb. --
im Längsschnitt, Abb. 3 den die Treibgaszylinder enthaltenenLäufer
in schaubildlicher Darstellung und verkleinertem Maßstab. Abb. 4. zeigt eine Einzelheit
in schaubildlicher Darstellung.
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Es bedeuten Al, AZ Kanäle in den Zylinderköpfen bzw. in dem die Zylinder
Z1, Z2 und die Arbeitskolben KI, K2 in sich einschließenden Läufer L (Abt. z und
3). Sie gehen an der Mantelfläche des Läufers in die Treibgasdüsen über, und sie
besitzen an einer oder beiden Stirnflächen des Läufers Öffnungen für die Frischgaszufuhr.
B, B1, B2 sind Zündstellen in dem feststehenden-Läufergehäuse, dem Ständer
G. I% Dl, D2 sind die Frischgasöffnungen im Ständer Ca. S1, S2 sind die Frischgasleitungen.
St, St, und St. sind Durchflußöffnungen im Ständer G für die Überleitung
des Treibgases von den Ausflußdüsen zu den Schaufeln des Turbinenrades 1'. U1, U2
sind die äußeren Pleuelstangenbolzen an den zu den Kolben K1, K2 gehörenden Pleuelstange.
V1, V2 sind angeschmiedete oder angegossene Fortsätze eines Schwinghebels W, der
die beiden Pleuelstangen verbindet und um die Hauptwelle H frei schwingt. F1, F2
sind Federn zur vorübergehenden Aufspeicherung der Verbrennungsenergie und zum Zurückführen
der Kolben. H ist, wie erwähnt, die Hauptwelle, auf der das Turbinenrad befestigt
ist. I ist der Deckel des Ständers G. P ist eine Brennstoffeinspritzpumpe, die an
einer Saugöffnung D angeordnet ist. R ist ein Fächerrad für die Luftkühlung, das
gleichzeitig zur Verbindung des Schaufelkranzes mit der Turbinenradnabe dient und
durch Öffnungen an der Stirnseite des Ständers und des Läufers Kühlluft bläst, die
an entsprechenden Löchern an der anderen Seite wieder austritt. Y ist eine nabenartige
Verlängerung des Läufers L konzentrisch zur Hauptwelle H. Auf ihr
ist ein Ketten- oder Zahnrad zum Antrieb des Zündmagneten M angeordnet. Y ist eine
auf der Welle H befestigte Luftschraube.
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Die Wirkungsweise der Gasturbine gemäß der Erfindung ist die folgende:
Zur Inbetriebsetzung wird der Läufer L zunächst in eine solche Stelle gebracht,
daß eine Seitenöffnung eines Zylinderkopfes mit jener Saugöffnung D im Ständer G
zur Deckung kommt, an der die BrennstoffpumpeP angeordnet ist. Wird mittels dieser
eine gewisse Menge eines leichter entzündlichen Brennstoffes als für den Dauerbetrieb
verwendet eingebracht, der auch ohne Vorverdichtung eine für das Anlassen genügende
Kraft entwickelt, so ist es nur erforderlich, von Hand den Läufer so weit zu drehen,
daß die seitliche Öffnung des Kanals A an der Zündstelle B vorbeiläuft
und daß die Ausflußdüse den Schlitz St in der Mantelfläche des Ständers G erreicht,
durch
den die an der Zündstelle B entzündeten Gase entweichen und das Turbinenrad T beaufschlagen,
das nunmehr die Weiterdrehung und den Übergang zum Dauerbetrieb bewirkt.
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Unter der Einwirkung der explodierenden Gase ist inzwischen der Kolben
K, auswärts getrieben worden und hat dabei den mit ihm durch den Schwinghebel W
gekuppelten Kolben K2 auswärts gezogen, so daß in dem zugehörenden Zylinder Z2,
wenn er mit der Seitenöffnung eine der FrischgasöffnungenD des Ständers G überschleift,
ein Unterdruck besteht, wodurch dieser Zylinder normales Gemisch ansaugt.
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Beim Auswärtsgang der Kolben K, und K. werden die Federn F, F2 gespannt,
die sich einerseits an den Läufer L (nahe den Zylinderköpfen), andererseits an die
Ansätze Ire, V. des Schwinghebels W stützen. Sobald der erste Zylinder Z1 mit seiner
Ausflußdüse den Schlitz St im Ständer erreicht hat und die im Zylinder befindlichen
Gase durch diesen Schlitz entweichen, treiben die Federn F die Kolben wieder einwärts,
wodurch aus dem ersten Zylinder die verbrannten Gase zwecks Kraftabgabe auf das
Turbinenrad ausgestoßen und im zweiten Zylinder die vorher angesaugten frischen
Gase verdichtet werden, da dieser in diesem Stadiuin allseits verschlossen ist.
Bei der durch das Andrehen oder schon z. B. durch den Impuls der ersten Explosion
auf das Turbinenrad bewirkten Weiterdrehung des Läufers L, der mit dem Rad auf irgendeine
Weise, z. B. durch ein auf der verlängerten Nabe und der Welle H angeordnetes Untersetzungsgetriebe
gekuppelt oder auch unabhängig, etwa elektromechanisch angetrieben sein kann, überläuft
nun die seitliche Öffnung des zweiten Zylinderkopfes eine Zündstelle, so daß sich
der Vorgang der Verbrennung in diesem Zylinder bei gleichzeitiger Bildung des Unterdrucks
für das Ansaugen des ersten Zylinders unter Spannung beider Federn mit darauffolgendem
Auspuffen der verbrannten Gase aus dem zweiten Zvlinder bei gleichzeitiger Entspannung
der Federn und Verdichtung des Frischgases in dem ersten Zylinder, wie oben beschrieben,
ohne besondere Steuerorgane abspielt und der normale Betrieb beginnt. Die Brennkraftinaschine
steuert sich also das zur Bereitung der das Turbinenrad beaufschlagenden Gase erforderliche
Kolbenspiel selbst dadurch, daß der die Zylinder Z und Kolben K enthaltende Läufer
L an den Ansaugstellen D,
Zündstellen B und Auspuffschlitzen St des Ständers
G sich vorbeidreht.
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Das Anlassen ,der Brennkraftmaschine kann auch auf andere Art ohne
Verwendung eines leicht entzündlichen Hilfsbrennstoffes erfolgen. Ein in der Stirnfläche
des Ständers G geführter axial verschieblicher Bolzen C (Abb. 2 und 4) wird gegen
die Wirkung einer Rückzugsfeder O durch einen Schlitz des Läufers L in dessen Inneres
gedrückt, wo sein Ende in Eingriff mit dem Ende eines verlängerten Kolbenbolzens
U gelangt, der die Pleuelstange des einen Kolbens mit dem Schwinghebel W verbindet
(Abb.2). Hierdurch wird der Schwinghebel W mit dem Kolben K in bezug auf den Ständer
G festgestellt, so daß sich beim Drehen des Läufers L die Kolben in den Zylindern
des Läufers L bewegen müssen, wodurch ein Unterdruck in den Zylindern entsteht.
Diese Bewegung ist aber nur in solchem Ausmaß erforderlich, daß einer der Zylinderköpfe
mit seiner Seitenöffnung gerade an einer Ansaugöffnung D des Ständers G vorbeiläuft,
damit er aus dieser sich mit Frischgas füllt. Beim Weiterdrehen des Läufers L stößt
eine an diesem vorgesehene Schrägfläche O (Abb. 3 und 4) auf eine Schrägfläche E
am Bolzen C (Abb. 2 und 4) und wirft diesen daher nach außen, so daß der Pleuelstangenbolzen
U, der mit ihm in Eingriff. war, nunmehr freigegeben wird, die Kolben unter dem
Einfluß der Federn sich einwärts bewegen und das Gemisch des mit angesaugtem Gas
geladenen Zylinders verdichtet wird. Überschleift nun der LäuferL eine Zündstelle
B, so erfolgt die erste Verpuffung, an die sich, wie oben beschrieben, der Dauerlauf
anschließt.