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Verfahren und Einrichtung zum Betriebe von Verpuffungskammern und
ihnen im Feuergasweg nachgeschalteten Wärmeaustauschern Verfahren zum Betriebe von
Verpuffungskammern und ihnen im Feuergasweg nachgeschalteten Wärmeaustauschern,
bei denen die Druckenergie der Feuergase nach Entziehung fühlbarer Wärme in. den
Wärmeaustauschern weiter verwertet wird, indem die Feuergase beispielsweise Dehnungsmaschinen
zugeführt werden, sind bereits vorgeschlagen worden. Vorschläge dieser Art gingen
dabei von der im Brennkraftturbinenbau gemachten Beobachtung aus, daß an den Stellen,
an denen hohe Feuergasgeschwindigkeiten auftreten, der Wärmeübergang hohe Werte
erreicht. Diese Wärmeübergänge waren dabei, vom Standpunkt des Turbinenbaues aus
betrachtet, unerwünscht, so daß man die Wärmeaustauschflächen möglichst weitgehend
verringerte und auf diese Weise die übergehenden Wärmemengen in möglichst niedrigen
Grenzen hielt. Später erkannte man jedoch, daß sich in den hohen Feuergasgeschwindigkeiten
ein vorzügliches Mittel bot, um mit möglichst geringen Wärmeaustauschflächen möglichst
große Wärmeübergänge zu erzielen, so daß man bewußt die Feuergasgeschwindigkeiten
steigerte und an den Stellen der höchsten Gasgeschwindigkeiten Wärmeaustauschflächen
anordnete. Auf diese Weise wurden beispielsweise Dampferzeuger und Dampfüberhitzer
verwirklicht, die den Vorteil besaßen, daß die Leistungen der üblichen Wärmeaustauscher
mit einem überraschend geringen Raumbedarf erreicht wurden oder, umgekehrt, daß
bei gleichem Raumbedarf die Leistungen erheblich gesteigert werden konnten.
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Die Erzeugung hoher Gasgeschwindigkeiten kann dabei auf wirtschaftliche
Weise nur durch das Verpuffungsverfahren bewirkt werden, weil beim Gleichdruckverfahren
die aufzuwendende Verdichtungsarbeit den durch Erhöhung der Gasgeschwindigkeiten
zu erzielenden Gewinn wieder zunichte macht. In den zur Durchführung des Verpuffungsverfahrens
dienenden Verpuffungskammern treten dabei diese Geschwindigkeiten hauptsächlich
an zwei Stellen auf, nämlich am Auslaßende der durchweg langgestreckt ausgebildeten
Verpuffungskammer, aber noch innerhalb derselben, und weiter hinter der das Auslaßende
der Verpuffungskammer in bestimmten Zeitabständen eröffnenden und wieder abschließenden
Steuerungsvorrichtung. Damit ergeben sich zwei grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten
zur Anordnung ausgedehnter Wärmeaustauschflächen. Man kann zunächst die Wärmeaustauschflächen,
die im Feuergasweg hinter der Abschlußvorrichtung der Verpuffungskammer liegen,
vergrößern. Man erreicht hierdurch, daß die Ausbildung der Verpuffungskammer von
der Anordnung des Wärmeaustauschers
völlig unbeeinflußt bleibt,
so daß sie nach rein thermodynamischen und verbrennungstechnischen Gesichtspunkten
ausgestaltet werden kann; der Ablauf des Verpuffungsverfahrens bleibt also gänzlich
unbeeinflußt, und die Verpuffungsvorgänge laufen störungslos ab. Das Verfahren erscheint
also als ein besonders betriebssicheres.
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Bei näherer Überlegung zeigt sich jedoch, daß eine derartige Anordnung,
wenn man den Gesamtwirkungsgrad der Anlage berücksichtigt, nicht allen Anforderungen
gerecht wird. Bekanntlich hat in der Entwicklung der Verpuffungsbrennkraftturbine
gerade der Raum zwischen der Abschlußvorrichtung der Verpuffungskammer und der nachgeordneten
Düse oder den nachgeordneten Düsen, der sogenannte Düsenvorraum, eine ausschlaggebende
Rolle gespielt. Dieser Düsenvorraum muß nämlich, sobald die Auslaßvorrichtung, durchweg
Düsenventil genannt, geöffnet hat, zunächst von den erzeugten Feuergasen aufgefüllt
werden. Während dieses Auffüllvorganges strömen aber bereits Feuergase aus dem aufzufüllenden
Raum durch die Düse aus. Durch den Auffüllvorgang, verbunden mit dem gleichzeitigen
Ausströmen der Feuergase durch die Düse, findet also ein erheblicher Druck- und
Leistungsverlust statt. Diesen Druck- und Leistungsverlust konnte man verringern,
wenn man den Düsenvorraum auf das denkbare Mindestmaß verkleinerte. Gegen den so
entwickelten Grundsatz aber verstößt die Anordnung eines Wärmeaustauschers, der
im Feuergasweg hinter der` Auslaßvorrichtung der Verpuffungskammer geschaltet ist,
gröblichst. Denn durch die Anordnung eines Wärmeaustauschers zwischen Auslaßvorrichtung
und Düse der nachgeschalteten Turbinenanordnung wird ja gerade der Düsenvorraum
derart vergrößert, daß bei weitem der überragende Teil der in der Verpuffungskammer
erzeugten Drucksteigerung während des Auffüllvorganges in Verlust gerät. Bis zur
Turbinendüse gelangt bei einer derartigen Schaltung praktisch nur der Druck, mit
welchem die Verpuffungskammer aufgeladen bzw. ausgespült wird, so daß sich das Verfahren,
soweit es nach turbinentechnischen Gesichtspunkten betrachtet wird, erheblich einem
Gleichdruckverfahren nähert. Es werden zwar durch die Vernichtung des hohen, im
Verpuffungsverfahren erzeugten Feuergasdruckes entsprechende Strömungs- und Wirbelungsgeschwindigkeiten
im Wärmeaustauscher erzeugt, so daß ein entsprechend sprunghaft erhöhter Wärmeübergang
erzielt wird. 'Aber dieser Vorteil, der insofern beachtlich ist, indem durch Verkleinerung
der Wärmeaustauschflächen der Düsenvorraum entsprechend verringert wird, muß mit
einer Senkung des Gesamtwirkungsgrades erkauft werden, weil bekanntlich die im Gleichdruckverfahren
anfallende mechanische Leistung nicht zur Bestreitung der Verdichtungsarbeit ausreicht.
Diese Verdichtungsarbeit erreicht deshalb ein gewisses, nicht unterschreitbares
Maß, weil zrir erfolgreichen und wirtschaftlichen Durchführung des Verpuffungsverfahrens
ein gewisser Mindestaufladedruck erforderlich ist, dessen Erzeugung ein bestimmtes
Mindestmaß an Verdichtungsarbeit erfordert. Es vermindert sich also der Wirkungsgrad
der Anlage um den Mehrbedarf an Verdichtungsarbeit gegenüber der anfallenden mechanischen
Leistung.
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Angesichts dieser Verhältnisse erscheint es naheliegend, die am Auslaßende
der Verpuffungskammer vor der Auslaßvorrichtung gelegenen Wärmeübergangsflächen
zu vergrößern oder den Wärmeaustauscher vor der Auslaßvorrichtung noch innerhalb
des Verpuffungsraumes anzuordnen. Bei dieser Anordnung steht bereits während der
Aufladung, Zündung und Verpuffung der Wärmeaustauscher mit der Verpuffungskammer
in Verbindung. Auf diese Weise bildet sich bereits während der Verpuffung auch ixn
Wärmeaustauscher der Verpuffungsdruck aus: Öffnet nunmehr die hinter dem Wärmeaustauscher
angeordnete Auslaßvorrichtung, so strömen die Feuergase dem Turbinenrad mit dem
Verpuffungsdruck zu; dieser Verpuffungsdruck fällt jedoch infolge des Druckabfalles
im Wärrneaustauscher und des hohen Wärmeaustausches verhältnismäßig schnell ab.
Immerhin erscheint es möglich, durch diesen wenn auch nur kurzzeitigen Austritt
der Feuergase unter hohem Druck eine so erhebliche zusätzliche Leistung gegenüber
der nach dem ersten Verfahren erzielbaren Radleistung 'dem Turbinenrad zuzuführen,
daß nunmehr die Verdichtungsarbeit völlig durch die Gasturbinenarbeit gedeckt werden
kann. Das somit verbleibende zweite Verfahren, das auch schon bekanntgeworden ist,
ermöglicht also die erforderliche Verdichtungsarbeit zu decken.
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Aber auch das zweite Verfahren ist nicht frei von grundsätzlichen
Nachteilen. Es ist dem Brennkrafttechniker bekannt, daß jegliche Verzwickelung eines
Verbrennungsraumes eine erhebliche Verschlechterung des Verbrennungs-oder Verpuffungsvorganges
verursacht. - Derartige Verzwickelungen des Verbrennungsraumes sind aber unvermeidbar,
wenn ein Teil des Verbrennungsraumes von einem Wärmeaustauscher gebildet wird. Solche
Wärmeaustauscher weisen zwecks Erreichung eines hohen Wärmeüberganges ,auf kleinem
Raum Maßnahmen auf, welche den Förderungen, die an eine gute Verpuffungskammer zu
stellen sind, widersprechen. Die Feuergase müssen nämlich durch verhältnismäßig
kleine Querschnitte des Wärmeaustauschers strömen. Bildet man den Wärmeaustauscher
als Röhrendampferzeuger
aus, bei welchem die Feuergase durch Röhren
strömen müssen, so können Explosionswellen in diesen auftreten mit örtlichen Drucksteigerungen,
die weit über den Explosionsdruck hinausgehen, da die engen Räume innerhalb der
Rohre einen Teil des Verpuffungsraumes bilden, also mit explosiblem Gemisch wie
die Verpuffungskammer gefüllt sind. Gegen derartig hohe Drucksteigerungen kann man
sich baulich sehr schwer schützen, da die Höhe der Druckwelle sehr verschieden sein
und die Wandstärke nicht beliebig verstärkt werden kann; andernfalls treten unzulässig
hohe Spannungen in den Rohrwandungen auf infolge der hohen Temperaturunterschiede
zwischen der Feuergas- und der Wasserseite. Bildet man den Wärmeaustauscher mit
Querröhren aus, also etwa als Kreuzstromdampferzeuger, so müssen diesem Dampferzeuger
zur Erzielung eines hohen Wärmeüberganges auf kleinem Raum enge Spaltquerschnitte
zwischen den Rohren gegeben werden. Dadurch werden Schwelnester gebildet, die Frühzündungen
herbeiführen. Ein ähnlicher Übelstand tritt auf, wenn der Dampferzeuger als reiner
Wirbelstromdampferzeuger ausgebildet wird: Diese Übelstände treten insbesondere
beim Anfahren ein, bei welchem die Trennschicht zwischen Feuergasrest und Spülluft
noch nicht ausgebildet ist. Im Dauerbetrieb bei gleichbleibender Belastung können
diese Nachteile gemildert werden, wenn man die Verpuffungskammer derart steuert,
daß diese Trennschicht örtlich noch in der Verpuffungskammer eingestellt wird, also,
im Feuergasweg gesehen, vor dem Wärmeaustauscher liegt. Dann gelangt üblicherweise
kein zündfähiges Gemisch in den Wärmeaustauscher; die Drucksteigerung während der
Verpuffung wird dann aber gesenkt, weil der im Wärmeaustauscher befindliche Feuergasrest
mit verdichtet werden muß.
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Man erkennt also, daß auch bei diesem Verfahren Nachteile in Kauf
genommen werden müssen, welche die erforderliche Betriebssicherheit gefährden.
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Somit zeigt sich, daß man unter Übernahme der im reinen Brennkraftturbinenbau
gewonnenen Erkenntnisse und Abwandlung derselben für die bewußte Ausnutzung der
gesteigerten Wärmeübergänge zu Dampferzeugungs- und Dampferhitzungszwecken nicht
ohne weiteres zu einer erfolgreichen Lösung gelangen kann. Demgemäß hat sich vorliegende
Erfindung die Aufgabe gestellt, das Verfahren zum Betriebe von Verpuffungskammern
und ihnen im Feuergasweg nachgeschalteter Wärmeaustauscher, bei dem die Druckenergie
der Feuergase nach Entziehung fühlbarer Wärme in den Wärmeaustauschern verwertet
wird, so auszubilden, daß die Vorteile der oben besprochenen Verfahren ohne Inkaufnahme
ihrer Nachteile verwirklicht werden. Das diese Aufgabe lösende, erfindungsgemäß
vorgeschlagene Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß das in der Verpuffungskammer
gebildete zündfähige Gemisch unter Abschluß der Verpuffungskammer zu dem Wärmeaustauscher
zu verpufft -wird, worauf Verpuffungskammer und Wärmeaustauscher unter allseitig
sonstigem Abschluß der gaserfüllten Räume verbunden werden. Zweckmäßig werden die
Gase aus dem Wärmeaustauscher erst nach vollendetem Druckausgleich in den gaserfüllten
Räumen sowohl der Verpuffungskammer als auch des Wärmeaustauschers vorzugsweise
zur Beaufschlagung einer dem Wärmeaustauscher nachgeschalteten Bzennkraftturbine
entlassen.
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Die Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kennzeichnen sich dadurch, daß sowohl am Feuergaseinlaß wie am Feuergasauslaß der
Wärmeaustauscher in bestimmten Zeitabständen betätigte Öffnungs-und Abschlußvorrichtungen
angeordnet sind. Die Steuerung für das am Feuergaseinlaß angeordnete Ventil ist
dabei so bestimmt, daß es erst nach im wesentlichen beendeter Verpuffung in der
oder den Verpuffungskammern geöffnet wird. Entsprechend ist die Steuerung des am
Feuergasauslaß des Wärmeaustauschers angeordneten Ventiles so bestimmt, daß dieses
Ventil nach Eröffnung des am Feüergaseinlaß angeordneten Ventiles geschlossen gehalten
wird, bis der Druckausgleich in den feuergaserfüllten Räumen sowohl des Wärmetauschers
als auch der Verpüffungskammer im wesentlichen beendet ist. Die zur Verwertung der
Feuergasdruckenergie durchweg vorgesehene Brennkraftturbine ist dabei vorteilhaft
unmittelbar hinter der die Feuergase aus dem Wärmeaustauscher entlassenden Steuerungsvorrichtung
angeordnet, wobei die Turbine selbst zweckmäßig, wie üblich, den Verdichter zur
Lieferung der Spül- und Ladeluft für die Verpuffungskammer antreibt.
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Die Vorteile des neuen Verfahrens liegen auf der Hand. Bis zur Beendigung
des Verpuffungsvorganges bleibt die Verpuffungskammer geschlossen, ohne daß sich
an ihrem üblichen, ausschließlich durch thermodynamische und verbrennungstechnische
Rücksichten bestimmten Aufbau etwas zu ändern braucht. Demgemäß ergibt sich ein
störungsloser Ablauf der Verpuffungsvorgänge unter Erzielung vollkommener Verpuffungen.
Andererseits wird verhindert, daß während des Druckausgleiches zwischen Verpuffungskammer
und Wärmeaustauscher nach beendeter Verpuffung eine unerwünschte Drucksenkung durch
Ausströmen der Gase aus dem Wärmeaustauscher eintritt. Die mit dem Druckausgleich
unmittelbar verbundene Drucksenkung hält sich in verhältnismäßig
geringen
Grenzen, so daß die in der nachgeschalteten Turbine entwickelte Leistung groß genug
bleibt, um die gesamte Verdichtungsarbeit zu bestreiten.
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Die Zeichnung zeigt in den Abb. i bis 3 eine schaubildliche Übersicht
über das erfindungsgemäße Verfahren unter Berücksichtigung der bisher bekanntgewordenen
Verfahren. Die Abb.4 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
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In dem Druckzeitschaubild der Abb. i bedeuten die Abszissen Zeiten,
während die Drücke als Ordinaten aufgetragen sind. Die gestrichelt gezeichnete Linie
gibt zunächst das übliche Druckzeitschaubild der an sich bekannten Verpuffungskammern,
wie sie insbesondere zum Antrieb von Brennkraftturbinen dienen, wieder. Die Zündung
findet im Punkt i statt, bei dem in der Kammer der Aufladedruck herrscht. Durch
die nachfolgende Verpuffung steigt der Druck in der Kammer bis zum Punkt :z an,
in welchem die Auslaßvorrichtung, bei der üblichen Verpuffungskammer Düsenventil
genannt, öffnet. Nunmehr wird der Düsenvorraum zwischen Düsenventil und Düse Aufgefüllt.
Da dieser Düsenvorraum bei der zunächst betrachteten reinen Verpuffungsbrennkraftturbine
verhältnismäßig klein ausgebildet ist, andererseits aber bereits während des Auf=
füllvorganges ein Abströmen der gespannten Gase durch die Düse stattfindet, tritt
durch Druckausgleich zwischen Verpuffungskammer und Düsenvorraum eine Drucksenkung
bis zum Punkt 3 ein. Es beginnt also im Punkt 3 die regelrechte Entspannung der
Feuergase durch die Düse, bis im Punkt 4 der Ladedruck bzw. Spülluftdruck erreicht
ist und die Ladung bzw. Spülung der Verpuffungskammer beginnt. Die gestrichelte
Linie i-2-3-4 spiegelt also den Arbeitsgang in der bei Verpuffungsturbinen üblichen
Verpuffungskammer wieder.
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Wäre es möglich,- das obige Verpuffungsverfahren ungestört und unverschlechtert
unter Anordnung eines vor der Auslaßvorrichtung gelegenen Wärmeaustauschers durchzuführen
und würde der Verbrennungsvorgang im Wärmeaustauscher in der gleichen Weise verlaufen
wie in der Verpuffungskammer selbst, so würde das entstehende Druckzeitschaubild
der Linie i-2-3-4 allerdings mit dem wesentlichen Unterschied entsprechen, daß infolge
der durch den stark erhöhten Wärmeaustausch eintretenden starken Volumenverminderung
der Feuergase die Dehnungslinie 3-4 in ihrem Verlaufe stark abgesenkt würde. Je
weniger Wärme der Wärmeaustauscher aufnimmt, um so mehr nähert sich das entstehende
Druckzeitschaubild der Linie i-2-3-4.
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Mit Rücksicht aber auf den Umstand, daß eine regelrechte und vollkommene
Verpuffung innerhalb des Wärmeaustauschers, der sich unmittelbar an die Verpuffungskammer
anschließt, keinesfalls zu erzielen ist, wird man im Dauerbetrieb bei gleichbleibender
Belastung mit der Trennschicht arbeiten, d. h. das bekannte Arbeitsverfahren so
handhaben, daß nur in der Verpuffungskammer selbst zündfähiges Gemisch gebildet
wird, während man in dem Wärmeaustauscher einen gewissen Feuergasrest aus der vorhergehenden
Verpuffung beläßt. Demnach gelangt das nur in der Verpuffungskammer vorhandene Brennstoffluftgemisch
"zur Verpuffung, wobei Feuergase schon -während der Verpuffung infolge der eintretenden
Druckerhöhung in den Wärmeaustauscher einströmen und hier den Feuergasrest verdichten.
Infolgedessen bildet sich nur ein verhältnismäßig geringer Verbrennungshöchstdruck
aus, der etwa durch den Punkt 5 gegeben ist. Im Punkt 5 setzt dann durch Öffnung
der im Feuergasweg hinter dem Wärmeaustauscher angeordneten Abschlußvorrichtung
die Dehnungslinie ein, die im Punkt 6 den Lade- bzw. Spüldruck erreicht, worauf
Spülung und Ladung einsetzen. Diese Linie i-5-6 ist strichpunktiert dargestellt.
Man erkennt also, daß sich das bekannte Verfahren, bei dem die Wärmeaustauschflächen
im Feuergasweg vor der gesteuerten Auslaßvorrichtung liegen, durch Linienscharen
kennzeichnet, deren Begrenzungen durch die Linien i-2-3-4 und i-5=6 gegeben sind;
je weniger der gemischerfüllte Raum im Wärmeaustauscher an der Verpuffung teilnimmt,
desto mehr ist die Charakteristik des Schaubildes durch die Linie i-5-6 gegeben;
im umgekehrten Falle nähert sich der Schaubildverlauf der durch die Linie i-2-3-4
gegebenen Charakteristik.
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Es waf bereits erwähnt worden, daß das bekannte Verfahren thermodynamisch
zu keinen Beanstandungen Anlaß gibt; der geschilderte Diagrammverlauf bestätigt
diese - Erkenntnis. Betrieblich befriedigt jedoch, wie oben erwähnt, das bekannte
Verfahren, insbesondere bei schwankenden Betriebsverhältnissen bzw. beim Anfahren,
in keiner Weise.
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Das zweite Verfahren, bei dem die Wärmeaustauscher im Feuergasweg
hinter der gesteuerten Auslaßvorrichtung der Verpuffungskammer angeordnet sind,
ist in Abb. i durch punktierte Linien wiedergegeben. Es bildet sich zunächst der
übliche Verlauf des Schaubildes bis zum Punkt 2 aus, in dem die gesteuerte Auslaßvorrichtung
öffnet. Da der Wärmeaustauscher den Raum zwischen Auslaßvorrichtung und nachgeschalteter
Düse der Turbinenradanordnung jedoch außerordentlich vergrößert und bereits während
des Auffüllens des so vergrößerten: Raumes ein Ausströmen der Feuergase durch die
Düse einsetzt, sinkt der Druck in der Verpuffungskammer während des Überströmens
in den Wärmeaustauscher
sehr plötzlich und sehr erheblich ab, bis
etwa zum Punkt 7, von dem aus die Dehnungslinien einsetzen.
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Dieses Verfahren ist zwar betrieblich voll befriedigend, aber der
Schaubildverlauf zeigt, daß durch das plötzliche und erhebliche Absinken des Spitzendruckes
eine Verkleinerung der Arbeitsflächen erfolgt, die aus den eingangs dargelegten
Gründen - Verkleinerung der Turbinenleistung unter die Verdichtungsleistung - nicht
tragbar erscheint.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem das in der Verpuffungskammer
gebildete zündfähige Gemisch unter Abschluß der Verpuffungskammer zum Wärmeaustauscher
zu verpufft wird, worauf Verpuffungskammer und Wärmeaustauscher unter allseitig
sonstigem Abschluß der feuergaserfüllten Räume verbunden werden, zeigt nun zunächst
zwischen den Punkten i und 2 den üblichen Verlauf der Verpuffungslinie; im Punkt
2 öffnet sich wieder die Auslaßvorrichtung der Verpuffungskammer; da jedoch Verpuffungskammer
und Wärmeaustauscher unter allseitig sonstigem Abschluß der gaserfüllten Räume der
Verpuffungskammer und des Wärmeaustauschers verbunden werden, hält sich der Druckabfall
beim Auffüllen des Wärmeaustauschers in verhältnismäßig geringen Grenzen; so daß
der Druckausgleich etwa im Punkt 5 erreicht ist. In diesem Zeitpunkt öffnet die
im Feuergasweg hinter dem Wärmeaustauscher angeordnete Auslaßvorrichtung; die Dehnungslinie
ist somit gegeben durch den Verlauf der Linie 5-6.
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Das in Abb. i wiedergegebene Druckzeitschaubild läßt zwar den Druckverlauf
in den gaserfüllten Räumen gut erkennen und gibt auch, trotzdem es keine eigentliche
Darstellung für Leistungen, kein P-v-Schaubild ist, ein ziemlich klares Bild über
die verfügbaren Leistungen in der Verpuffungskammer. Es gibt jedoch kein klares
Bild über die Leistungen, die in der dem Wärmeaustauscher nachgeschalteten Turbinenradanordnung,
also unmittelbar vor der Düse, verfügbar sind. Abb.2 läßt diese Leistungen dadurch
klar hervortreten, daß zu den Punkten 2-7 der Abb. i die unmittelbar vor der Düse
der Turbinenradanordnung auftretenden Drücke als Ordinaten aufgetragen worden sind.
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Man erkennt, zunächst wieder in gestrichelter Darstellung, den vor
der Turbinendüse herrschenden Druckverlauf 2'-3'-4' für den Fall des reinen Brennkraftturbinenverfahrens
gemäß dem Linienzug (i)-2-3-4 der Abb. i. Im Punkt 3' ist der Düsenvorraum voll
aufgefüllt, und von diesem Punkt ab verläuft die Dehnung bis zum Punkte 4' genau
wie zwischen den Punkten 3 und 4 der Abb. i.
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Ist nun der Wärmeaustauscher im Feuergasweg gemäß bekannten Vorschlägen
vor der Auslaßvorrichtung 'angeordnet und würde er ebenfalls völlig mit zündfähigem
Gemisch aufgeladen und dieses wirkungsvoll mit dem in der Verpuffungskammer befindlichen
zusammen verpufft, so würde der Auffüllvorgang in Anbetracht des verhältnismäßig
kleinen Düsenvorraumes ähnlich der Linie 2'-3' verlaufen. Da jedoch die im Feuergasweg
hinter dem Wärmeaustauscher angeordnete Auslaßvorrichtung entsprechend dem Punkte
5 in Abb. i zeitlich hinter dem Punkt 2, demgemäß in Abb. 2 im Punkt g' öffnet,
beginnt die Auffüllinie erst im Punkt g' der Abb. 2. Weiter ist zu berücksichtigen,
daß beim Schaubild nach Abb. 2 im Gegensatz zum Schaubild nach Abb. i nur die Gasdrücke
beachtet werden, die im Feuergasweg hinter dem Wärmeaustauscher auftreten. Es ist
daher die starke Abkühlung, die dementsprechende Verminderung des Gasvolumens und
der erhebliche Druckverlust, der zur Erzeugung der hohen Strömungsgeschwindigkeiten
dient, zu berücksichtigen, so daß die im Punkte g' aufsteigende Auffüllinie nicht
etwa bis zur Höhe des Punktes 3' ansteigt, sondern etwas oberhalb des Punktes 5'
endet. Sie würde im Punkte 5' selbst enden, wenn man dieselbe Anordnung, aber einen
Betrieb in Betracht zieht, bei dem sich zündfähiges Gemisch nur in der Verpuffungskammer
selbst befindet, während im Wärmeaustauscher der Feuergasrest verbleibt. Bei diesem
Betrieb ist also die Dehnungslinie gegeben durch die Linie 5' bis 6', während bei
Benutzung auch des Wärmeaustauscherraumes als Verpuffungsraum die Dehnungslinie
etwas oberhalb der Linie 5'-6' verläuft, aber unterhalb der Linie 3'-4'. Demgemäß
liegen die beim bekannten Verfahren möglichen Linienscharen zwischen der Dehnungslinie
5'-6' und der Linie 3'-4'. Die Schaubilder nähern sich der Charakteristik 5'-6'
in dem Maße, in dem der Wärmeaustauscher von den Restfeuergasen der vorhergehenden
Verbrennung mehr und mehr erfüllt bleibt; sie nähern sich der Linie 3'-4' um so
mehr, jeweniger Wärme der Wärmeaustauscher aufnimmt.
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Zu berücksichtigen ist -schließlich das zweite bekannte Verfahren,
bei dem die Wärmeaustauschflächen im Feuergasweg hinter der gesteuerten Auslaßvorrichtung
angeordnet sind. Hier verläuft der Auffüllvorgang infolge des stark vergrößerten
Düsenvorraumes von 2' nach 7'. Im Punkt 7' beginnt die Dehnung.
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Vergleicht man nunmehr die Arbeitsflächen, so erkennt -man sofort,
daß die bei dem zuletzt erwähnten Verfahren zur Verfügung stehende Turbinenleistung
gegeben ist durch die Summe der Flächen I und II, wobei die Fläche- II derjenigen
Arbeit entspricht, welche eine Gleichdruckturbine liefern würde. Die Zwickelfläche
I stellt also einen Gewinn gegenüber der Gleichdruckturbinenleistung dar. Diese
Fläche
I vergrößert jedoch die Gleichdruckturbinenleistung II nicht in dem Maße, daß die
erforderliche Verdichtungsleistung bestritten werden könnte. Das gelingt erst durch
Hinzunahme der Arbeitsfläche III, durch welche die Gasturbinenleistung so erheblich
vergrößert wird, daß die gesamte Verdichtungsarbeit gedeckt werden kann. Die Leistung
der reinen Gasturbine wird dargestellt durch die Summe der Flächen I, II, III und
IV, wobei die Gasturbinenleistung ganz erheblich die erforderliche Verdichtungsarbeit
überwiegt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, das einerseits die betrieblichen Schwierigkeiten
vermeiden soll, die bei Anordnung der Wärmeaustaüschflächen im Feuergasweg vor der
gesteuerten Auslaßvorrichtung entstehen, während andererseits die Gasturbinenleistung
auf einen Wert zu steigern ist, daß mindestens die erforderliche Verdichtungsarbeit
gedeckt wird, kennzeichnet sich nun entsprechend dem ausgezogenen Linienzug i-2-3-5-6
im Schaubild der Abb. 2 wie folgt.
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Die Auslaßvorrichtung der Verpuffungskammer öffnet bei 2' bei allseitig
sonstigem Abschluß der feuergaserfüllten Räume, d. h. bei Abschluß der im Feuergasweg
hinter dem Wärmeaustauscher angeordneten Auslaßvorrichtung. Entsprechend der Volumenvergrößerung
durch das zusätzliche Volumen des Wärmeaustauschers sinkt der Druck in der Verpuffungskammer.
Im Punkt g' öffnet sich die zwischen Wärmeaustauscher und Turbinenradanordnung angeordnete
Auslaßvorrichtung, und es tritt entsprechend der ausgezogenen Linie g', 5' Druckausgleich
zwischen Verpuffungskammer und Wärmeaustauscher einerseits und Düsenvorraum andererseits
ein. Im Punkt 5' beginnt dann die Dehnungslinie, die im Punkte 6' die Linie des
Spül- bzw. Ladedruckes erreicht. Es zeigt sich also, daß die Turbinenleistung gegeben
ist durch die Summe der Flächen I, II, III und damit etwa groß genug ist, um die
gesamte Verdichtungsarbeit zu decken. Andererseits bleibt die Verpuffungskammer
selbst von allen Verzwickelungen und Störungen des Verbrennungsvorganges unberührt,
so da.ß der Wirkungsgrad der Verbrennung auf den erreichbaren Bestwert gesteigert
werden kann. Damit ist es erfindungsgemäß möglich geworden, mit einer verbrennungstechnisch
voll befriedigenden Anordnung einen guten Gesamtwirkungsgrad unter sprunghafter
Verkleinerung der Wärmeaustauschflächen infolge der sprunghaft erhöhten Gasgeschwindigkeiten
und des damit sprunghaft erhöhten Wärmeüberganges zu erreichen.
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Es ist hier noch zum Ausdruck zu bringen, daß die oben als Arbeitsflächen
angesprochenen Flächen nicht übereinstimmen mit den wirklichen Werten der verfügbaren
Leistungen, sondern nur "schaubildlich als Leistungsflächen aufzufassen sind. Eine
genaue Darstellung der richtigen Werte der Arbeits- und Wärmeflächen würde die Heranziehung
des Entropieschaubildes erfordern. Durch dasselbe würde aber weder der Erfindungsgedanke
noch der Stand der Technik ebenso klar gekennzeichnet werden können wie mit dem
verwandten Druckzeitschaubild.
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Abb. 3 zeigt die Ventilerhebungsschaubilder. Der Linienzug io zeigt
das Schaubild für das Ventil, das zwischen Verpuffungskammer und-Wärmeaustauscher
angeordnet ist, während Linie ii das Erhebungsschaubild des Ventiles darstellt,
das zwischen Wärmeaustauscher und nachgeordneter Turbinenradanordnung vorgesehen
ist. Während das erste Ventil im Punkt a" öffnet, öffnet das zweite Ventil im Punkte
g".
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# Abb. q. zeigt eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsgedankens.
In ihr bezeichnet 12 die Verpuffungskammer, die in üblicher Weise mit einer Einlaßvorrichtung
13 für die Spül-und Ladeluft, mit einer Brennstoffeinlaßvorrichtung 1q. und
mit Zündvorrichtungen 15 ausgerüstet ist. In an sich bekannter Weise ist im Feuergasweg
hinter der Verpuffungskammer 12 der Wärmeaustauscher 16 angeordnet. Erfindungsgemäß
ist sowohl am Feuergaseinlaß 17 des Wärmeaustauschers 16 wie am Feuergasauslaß 18
desselben je eine in bestimmten Zeitabständen betätigte Öffnungs- und Abschlußvorrichtung
ig und 2o vorgesehen. Während die Öffnungs- und Abschlußvorrichtung ig gleichzeitig
den Auslaß 21 der Verpuffungskammer steuert, befindet sich die Steuerungsvorrichtung
2o unmittelbar vor der Düse 22 der Turbinenradanordnung 23. Das Ventil 2o ist somit
als das eigentliche Düsenventil zu bezeichnen. Auf der Turbinenwelle 24 ist der
Verdichter 25 angeordnet, der über Leitung 26 der Verpuffungskammer 12 die erforderliche
Spül- und Ladeluft zuführt. Sowohl die Ladevorrichtung 13 wie die Steuerungsvorrichtungen
ig und 2o werden zweckmäßig durch Drucköl betätigt, das durch einen Verteiler 27
über Leitungen 28, 29 und 30 zu vorbestimmten Zeitpunkten auf die Steuerkolben
31, 32 und 33 (nicht gezeichnet) zur Wirkung gebracht wird. Der Wärmeaustauscher
16 besteht aus einer Rohrschlange 3q., die über den Krümmer 35 einerseits mit dem
Kühlraum 36 der Verpuffungskammer, andererseits über Krümmer 37 mit den Kühlräumen
38 und 39 in Verbindung steht. Dem Kühlraum 36 der Verpuffungskammer wird
das zweckmäßig vorgewärmte Kühlmittel über eine Pumpe q0 unter hohem Druck zugeführt,
so daß es in hochaufgeheiztem Zustande aus dem Kühlraum 39 über Leitung q1
abgezogen werden kann. Nachdem das Kühlmittel in einem Druckminderventil 42 entspannt
worden ist, tritt es in einen Dampfabscheider
43 ein, aus dem der
erzeugte gespannte Dampf bei 44 abgezogen wird, während das nicht in Dampf
umgesetzte Kühlmittel über Leitung 45 zur Pumpe 40 und über Leitung 46 in die Kühlräume
36 der Verpuffungskammer zurückgeführt wird.
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Erfindungsgemäß werden nun die Ventile ig und 2o nach Abb. 3 so gesteuert,
daß das in den Abb. i und 2 durch ausgezogene Linien veranschaulichte Betriebsverfahren
eintritt. Es entstehen hierdurch die neuen Wirkungen, die an Hand dieser Abbildungen
im einzelnen dargelegt worden sind.
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Es liegt im Wesen der Erfindung, daß der Wärmeaustauscher, in dem
durch Umsetzung des Druckes in Geschwindigkeiten sprunghaft erhöhte Wärmeübergänge
stattfinden, jede beliebige Ausbildung erhalten kann.