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Vorrichtung zur Erzeugung von gespannten Treibgasen Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Gasen hoher kinetischer Energie mit
Hilfe von Vor- und Hauptverbrennungskammern zum Antrieb von Maschinen, z. B. Gasturbinen,
und bezieht sich im besonderen auf eine Vorrichtung, in der Brennstoffgemische zur
Verbrennung gelangen, die durch Vergasen von z. B. Benzin, Gasolin oder anderer
Petroleumderivate erhalten werden.
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Es ist bekannt, den Brennstoff in einer Vorkammer zu entzünden, wobei
durch den dabei sich entwickelnden Druck unverbrannte Brennstoffteilchen durch eine
enge Öffnung in eine mit Frischluft gefüllte Hauptverbrennungskammer geschleudert
werden. Solch eine Anordnung ist bei Kolbenmaschinen, z. B. Dieselmaschinen, üblich
und. wird. auch bei Gasturbinen angewandt.
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Bei Gasturbinen ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die von der Vorkammer
ausströmenden Gase die nächstliegende Frischluft höher erhitzen, so daß die abströmenden
Arbeitsgase, die schließlich noch verbrennende Brennstoffteilchen mit sich führen,
mit ungleicher und trotz der beigemischten großen Luftmenge teilweise mit hoher
Temperatur auf die Turbinenschaufeln treffen. Infolge der ungleichen Temperatur
werden die Gase auch unregelmäßiger abströmen; so daß selbst bei nacheinander stattfindender
Beaufschlagung durch mehrere Brennkammern durch den pulsierenden Druck Schwingungen
in den Turbinenschaufeln hervorgerufen werden.
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Die bekannten Vorverbrennungskammern, die durch eine immer offen stehende
sog. Schleuse mit der Hauptverbrennungskammer in Verbindung stehen, können außerdem
nicht bei vergasten Brennstoffen angewandt werden. Da es wünschenswert ist, Druckgase
von möglichst niedriger Temperatur in die Turbine zu schicken, müssen bei großer
Luftmenge kleine Brennstoffmengen zur Verbrennung kommen. Bei Anwesenheit der gesamten
erforderlichen Frischluftmenge ergehen solche kleine _ Brennstoffmengen ein Gemisch,
das nicht mehr zündfähig ist.
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Aus diesem .Grunde sollen nach der Erfindung vollkommen getrennte
Vor- und Hauptbrennkammern vorgesehen werden, und zwar unter Verwendung von Zylinderschiebern,
wie sie bereits als Verbrennungskammern zur Erzeugung von Druckgasen benutzt werden.
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Gemäß der Erfindung werden die in einem Zylinderschieber angeordneten
Vorverbrennungskammern mit den ebenfalls .in einem Zylinderschieber angeordneten
Hauptverbrennungskammern nach erfolgter Verbrennung in der Vorkammer verbunden,
wobei die Zylinderschieber gleichzeitig angetrieben werden. Die zusammenarbeitenden
Zylinderschieber sollen gleichachsig angeordnet sein.
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Durch die Erfindung wird eine vollkomrnen von der Hauptverbrennungskammer
getrennte Vorkammer geschaffen, in der eine vergasteBrennstoffmenge unter dem richtigen
Mengenverhältnis von beigemischter Luft zur Verbrennung gelangt. Bei einem reichen
Brennstoffgemisch gelangt der überschüssige Brennstoff erst in der Hauptverbrennungskammer
zur Verbrennung.
Durch die gleichachsige Anordnung der Kammern wird
eine sehr kurze Verbindungsleitung und auch ein bequemer Antrieb der beiden Verbrennungskammern.erhalten.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist einfach, zuverlässig und geeignet
zur Herstellung von Gasen hoher kinetischer Energie. In den Zeichnungen ist Fig.
i die Vorrichtung zur Erzeugung des Gases hoher kinetischer Energie in, Verbindung
mit einer Gasturbine, Ei g.2 eine Draufsicht auf den Treibgaserzeuger, Fig. 3 ein
Querschnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 2 und .
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Fig.4 eine Skizze, die jeweilige Einstellung der Zylinderschieber,
welche den Gasfluß im Erzeuger steuern, zeigend.
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Die Maschinenanlage besitzt nach Fig. i eine horizontale Gasturbine
io und einen Treibgaserzeugen# i i. Die Turbine io und der Erzeuger i i sind beide
auf einer gemeinsamen Grundplatte 12 gelagert.
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Die Turbine kann von beliebiger bekannter Bauart sein. Sie besitzt
ein konisches Gehäuse 13 und erhält die Treibgase von dem Erzeuger i i, mit welchem
sie durch ein Rohr 14 an ihrem schmalen Ende verbunden ist. Nachdem die Treibgase
die -nicht gezeichneten Leit- und Laufschaufeln der Turbine durchströmt haben, werden
säe in den Kopf 15 am größeren Ende des Turbinengehäuses 13 ausgepufft und von dort
durch einen senkrechten Schornstein, wie bei 16 gezeigt ist, abgeführt.
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Der obere Teil des Gehäuses 17 des Treibgaserzeugers besitzt, wie
in den Fg. i bis 3 dargestellt ist, eine Reihe von nebeneinanderliegenden senkrechten,
zylindrischen Verbrennungskammern 18, 18a, 18b und der untere Teil des Gehäuses
eine entsprechende Reihe von senkrechten, zylindrischen zweiten Verbremnungskammern.
Zur besseren Unterscheidung sollen in der folgenden Beschreibung die Kammern i.8,
18a, 18b mit Vorkammern und die zweiten Kammern ig, iga, lab mit Verbrennungskammern
bezeichnet werden. Jede Verbrennungskammer bildet mit der Vorkammer, mit welcher
sie auf derselben Achse liegt, eiri Paar. In den Zeichnungen wurden drei Paare von
Vor- und Verbrennungskammern gezeigt. Es ist selbstverständlich, daß deren auch
mehr oder weniger verwendet werden können, je nachdem es der Betrieb erfordert.
Je ein Paar der Vorkammern 18, 18a, 18b und Verbrennungskammern ig, ig4, igb stehen
durch ein U-förmiges Rohr 2o, 2oa, tob in Verbindung. Dabei ist der Fluß der Verbrennungsgase
von den Vorzu den Verbrennungskammern durch zylinderförmige Drehschieber 21, 2Ia,
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ib und 22, 22a, 22U, welche, gleichachsig zueinander angeordnet, in den:
Kammern umlaufen, gesteuert. Es sei besonders darauf hingewiesen, daß die Verbrennungskammern
ig, iga, igb bedeutend größer sind als die Vorkammern 18, 18a, ISb, wobei das Raumverhältnis
in dem gezeigten Fall sich ungefähr wie i : 1'/2 verhält (Fig.3).
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Die Vorkammern 18, i8a, iSb besitzen Einlaßöffnungen 23, 23a, 23b
nahe ihren oberen Enden, welche in eine Sammelkammer 24 münden. Diese erweitert
sich in ein kreisrundes Gehäuse 25, in welchem ein Gebläse 26 (Fig. i und 2) angeordnet
ist. Das Gebläse 26 ist auf der Welle 27 des Anlaßmotors 28 angeordnet. Der Motor
28 sitzt auf einer Konsole 29; welche an der Grundplatte 12 angebracht ist. Der
flüssige Brennstoff wird in den Treibgaserzeuger i i von einer geeigneten Brennstoffquelle
(nicht gezeigt) durch ein Rohr 30 gebracht, welches zu einem Verbindungsstück
31 führt, welches wiederum mit der Welle 27, die durchbohrt ist, verbunden ist.
Durch die axiale Bohrung 32 der Welle 27 wird der flüssige Brennstoff in einen Zerstäuberkopf
33 innerhalb des Gebläsegehäuses 25 geführt. Dieser Zerstäuberkopf besitzt eine
Anzahl radialer Auslaßdüsen 34. Der durch die Düsen zerstreute Brennstoff wird vollständig
unter dem Druck eines Luftstromes vergast, der durch .das, Gebläse 26 zugeführt
wird. Die entstandene Mischung wird durch eine Leitung 24 den Vorkammern 18, 18a,
18b zugeführt. Gebläse 26 wird durch eine Kettenradverbindung 35 von der verlängerten
Turbinenwelle 37 aus angetrieben, wie in den Fig. i und 2 gezeigt ist.
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Die Zylinderschieber 21, Zia, 21b der Vorkammern 18, 18a, 18b gehen
an ihren unteren Enden in Schneckenräder 4o aus, welche mit Schnecken 41 in Eingriff
stehen. Diese Schnecken sitzen auf einer Welle 42; welch-, in Konsolen 43 des Treibgaserzeugergehäuses
17 gelagert ist: Die Zylinderschieber 22, 22a, 22b der Verbrennungskammern ig, iga,
igb besitzen ebenso wie die Vorkammern an ihren unteren Enden Schneckenräder q.4,
Urelche mit Schnecken 45 einer längs der Maschine angeordneten Welle 46 in Eingriff
stehen. Die Welle 46 ist auf Konsolen 47 gelagert. Die zwei Wellen 42 und 46 werden
gemeinsam durch Kettenradverbindungen 48 und 49 von der Verlängerung 36' der Turbinenwelle
37 aus angetrieben. Damit werden die Zylinderschieber 21, 2111, 21b und 22, 22a,
22b mit derselben Geschwindigkeit und in derselben Richtung angetrieben, wie durch
Pfeile in Fig. 4 veranschaulicht ist.
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Die Fig. 3 und 4 zeigen, daß die Zylinderschieber 2i, 2111, 21b der
Vorkammern 18, i8a,
18b nahe ihren oberen Enden mit Öffnungen-5o,
5oa, 5ob versehen sind, welche mit den Brennstofeinlaßöffnungen 23, 23d, 23b übereinandergebracht
werden können, und an ihren unteren Enden besitzen sie Öffnungen 51, 5111, 5ib,
welche mit den Auslaßöffnungen 52, 52a, 52b übereinandergebracht werden können,
welche in U-förmige Verbindungsrohre 2o, 2o11, tob münden. An den unteren Enden
besitzen die Zylinderschieber 2i, 2ia, 21b verhältnismäßig kleine Öffnungen 53,
53a, 53b, welche, mit den Öffnungen 54, 54a, 54b der Kammerwänd in Übereinstimmung
gebracht, in ein Sammelrohr 55 münden, durch welches jeder Gasrückstand abgeführt
wird, nachdem die zur Verbrennung gebrachten Ladungen aus den Kammern i8, i8a, 18b
entfernt wurden. Das Sammelrohr führt, wie in Fig. i gezeigt ist, in den Auspuffkopf
15 der Turbine.
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Die Bauart der Zylinderschieber 22, 22a, 22b der Verbrennungskammern
19, 19" 19b des Treibgaserzeugers ist ähnlich der der Schieber 21, 21a, 2,b. Diese
Zylinderschieber sind, wie die Fig. 3 und 4 zeigen, mit Öffnungen 56, 56a, 56b nahe
ihren oberen Enden versehen, welche mit entsprechenden Einlaßöffnungen 57, 57a,
57b übereinandergebracht werden. Die letzteren Öffnungen führen zu den U-Stücken
20,-20a, 20b. Unterhalb dieser Öffnungen sind Öffnungen 58, 58a, 58b Vorgesehen,
welche mit den Öffnungen 59, 5911, 59b zusammenarbeiten, die zu dem Sammelrohr 6o
führen. Das Sammelrohr 6o mündet in das Gebläsegehäuse 25. Ein Teil der Luft, welche
durch das Gebläse eingesaugt wird, kommt dadurch in die Kammern i9, um sich mit
den Verbrennungsgasen, die aus den Vorkammern kommen, zu mischen. Eine Abteilungswand
61 im Gebläsegehäuse (Fig. i) zweigt den Teil der Luft ab, welcher durch das Rohr
6o in die Verbrennungskammern geführt werden soll. Unter den Öffnungen 5ß> 5$a,
5$b besitzen die Zylinderschieber weitere Öffnungen, welche, mit den Wandöffnungen
63, 6311, 63b in Übereinstimmung gebracht, in die Rohrleitung 14 fiihren, welche
die Verbrennungsgase schließlich in die Turbine bringt. Nahe am Boden der Zylinderschieber
22, 22a, 22b sind schmale Öffnungen 64,64a, 64b vorgesehen, welche, mit Öffnungen
65, 65a, 6.5b der Kammerwand in Übereinstimmung gebracht, zu einem SammelrohrS6
führen, wodurch Gasrückstände, nachdem die Treibgasladungen aufeinanderfolgend in
die Turbine gebracht wurden, zum Auspuff geführt werden. Um aufeinanderfolgend zu
arbeiten, werden die Verbrennungen in einzelnen Kammern zu verschiedenen Zeiten,
ausgeführt. Zu diesem Zweck sind die Zylinderschieber 21, 2,a, 2,b und 22, 22a,"2211
um 120G mit Bezug auf Einlaß des Brennstoffes versetzt.
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Das Gehäuse 17 des Treibgaserzeugers i i ist, wie bei 67 gezeigt;
doppelwandig ausgeführt zuKühlzwecken. Wasser oder irgendein anderes Kühlmittel
wird durch die Rohrleitung 68 eingeführt und durch die Rohrleitung 69 abgeleitet.
Um diesen Wasserumlauf zu bewerkstelligen, ist eine nicht gezeigte Pumpe vorgesehen.
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In den Kammern 18, I811, i8b sind Zündmittel angeordnet, um die einzelnenLadungen
aufeinanderfolgend zur Verbrennung zu bringen. Die Zündanlage besitzt unter anderem
einen nicht gezeigten Verteiler und Zündkerzen.7o (Fig. i bis 3). Jede der Vorkammern
besitzt eine Zündkerze.
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Die Wirkun:gsweiee des Treibgaserzeugers ist ungefähr folgende: Es
sei angenommen, daß die Turbine io mit der Kettenradverbindung 35 läuft und das
Gebläse 26 antreibt. Dadurch wird auch die Kettenradv erbindung 48 und 49 angetrieben,
womit die Schneckenwellen 42 und 46 zur Umdrehung gebracht werden, welche die Schieber
21, Zia, 2Ib und 22, 22a, 22b gemeinsam antreiben. Dadurch werden Brennstoff-Luft-Mischungen
durch die Öffnungen 23, 23ä, 23b aufeinanderfolgend in die Vorkammern eingeführt,
zur Verbrennung gebracht und durch die U-Stücke 20, 2oa, tob in gleicher Aufeinanderfolge,
wie .die Zündungen stattfinden, in die Verbrennungskammern 19, I9a, I9b geleitet.
In die letzteren Kammern wird Luft von atmosphärischem oder höherem Druck durch
die tinlaßkanäle 59, 59a, 59b von dem Sammelrohr 6o zugeführt. Nach Entspannung
und zweiter Verbrennung des noch nicht verbrannten Brennstoffgehaltes in den Kammern
i9, 1911, 19b werden die erhaltenen Verbrennungsgase durch die Öffnungen 62, 62a,
62b und Kanäle 63, 63a, 631' und Leitung 14 in die Turbine geleitet, und zwar in
derselben Aufeinanderfolge, wie die Verbrennungen und die anderen Arbeitstakte erfolgen.
Wenn die in die Vorkammern eingeführte Gas-Luft-Mischung reich genug ist. um Verbrennung
zu gewährleisten, findet die Verbrennung statt. Nachdem die so entstandenen Verbrennungsgase
in die wesentlich größeren Verbrennungskammern i9, iga, igb gebracht worden sind,
welche vorher mit 'Luft, vorzugsweise von atmosphärischem oder von höherem Druck,
gefüIlt-sind, findet eine zweite Verbrennung statt, welche jeden verfügbaren, noch
nicht verbrannten Brennstoff ausnutzt, welcher sonst verlo:renginge. Dadurch wird
der Brennstoff vollkommen ausgenutzt.
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Der Arbeitsgang des Treibgaserzeugers i i wird am besten im- Zusammenhang
mit Fig.4 erläutert. Diese Figur zeigt die vers.
chiedenen Stellungen
der verschiedenen Schieber 21, 2I11, 2Ib und 22, 22a, 22b in einer bestimmten Lage.
Die Einlaßöffnungen 15 des Zylinderschiebers 21 öffnen den Einlaßkanal 23 der Vorkammer
18. Das Brennstoff-Luft=Gemisch kommt von der Leitung 24 in die Vorkammer. Die anderen
Öffnungen 52 und 54. der Kammer sind geschlossen. Gleichzeitig wird eine zusätzliche
Menge Luft von atmosphärischem oder höherem Druck in die Verbrennungskammer ig von
der Sammelleitung 6o über den Kanal 59 und Öffnung 58 in dem Zylinderschieber
22 gebracht. Dadurch befindet sich die Luft schon früher in der Verbrennungskammer,
um sich später mit den Verbrennungsgasen aus der Vorkammer 18 zu vermischen. Alle
anderen Kanäle der Verbrennungskammer ig sind zum gegebenen Zeitpunkt geschlossen,
wie in Fig. q. gezeigt ist. In dem nächsten Kammerpaar sind die Verhältnisse folgendermaßen:
Eine Brennstoffladung ist gerade in der Vorkammer i811 verbrannt, und die entstandenen
Verbrennungsgase strömen durch die Öffnung 5i11 und Kanal 52a in das U-förmige Rohr
2o11, während der Kanal 57a und die Öffnung 63a der Kammer iga sich gerade zu öffnen
beginnen, indem sie mit den Öffnungen 56a und 62a im Schieber 22a in Übereinstimmung
gebracht werden, um den Verbrennungsgasen einerseits. den Eintritt von der Vorkammer
I811 in die Verbrennungskammer r g11 und andererseits den Austritt von Restgasen
in die Leitung 1q. zu ermöglichen. Im dritten Kammerpaar des Treibgaserzeugers ii
beginnt sich der Kanal 52b der Kammerwand -8b durch den Schieber zu schließen. Die
früher verbrannten Gase sind fast vollständig aus der Kammer entfernt und durch
das U-förmige Rohr tob in die Verbrennungskammer ig gebracht, worauf der Kanal 57b
durch Schieber 22b geschlossen- wird. Gleichzeitig schließt Schieber 22b den Auspuff
63b, wobei die Verbrennungskammer von der Turbine getrennt wird. , Wenn eine reiche
Mischung in den Treibgaserzeuger gebracht wird, so wird jede überschüssige Menge,
welche unverbraucht nach der Verbrennung in der Vorkammer 18, i811, 18b bleibt,
in die Verbrennungskammer ig-, iga, igb gebracht, wo eine weitere Verbrennung stattfindet,
wenn' der unverbrauchte Brennstoff in Berührung mit der frischen Luft kommt, welche
in diese Kammer durch das Verteilungsrohr 6o gebracht ist.
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Durch die Zufuhr von Luft in der Verbrennungskammer zu den Gasen aus
der Vor-.kammer wird die Menge der Treibgase vergrößert und deren - Temperatur erniedrigt.
Dadurch ist also die gewünschte tiefere Temperatur erhalten, und der Druckabfall
ist durch eine entsprechende Vermehrung der Gase ausgeglichen. Im Betriebe wird
ein Gemisch mit zuviel Luft eine unvollkommene Verbrennung ergeben. Die vollständigsten
Verbrennungen werden eher durch eine reiche als durch eine arme Mischung erhalten.
Die Vorkammer bewirkt nahezu vollkommene Verbrennungen, da das beste Verhältnis
zwischen Luft und Brennstoff hergestellt ist. In der Verbrennungskammer wird nicht
nur eine geringere zweite Verbrennung bewirkt, sondern es wird dem heißen Gas und
Brennstoff eine größere Menge Luft zugeführt, -wodurch das. gewünschte Ziel erreicht
-wird; nicht nur, daß die Verbrennung des Brennstoffes bei einer verhältnismäßig
geringen Temperatur ohne Verlust an Energie stattfindet, sondern es -wird auch der
Verlust an Druck durch die entsprechende Vergrößerung der Menge der Gase ausgeglichen.
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Es sei erwähnt, daß die Wasserkühlung der Vor- und der Verbrennungskammern
nur Überheizung verhindert, da die Absicht besteht, mit möglichst hoher Temperatur
zu arbeiten, nicht jedoch die Verbrennungsgase zu kühlen, dadurch, daß sie an die
Zylinderwände kommen, denn dies würde einen zu großen Energieverlust mit sich bringen.
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Das Raumverhältnis der Vor- zu den Verbrennungskammern kann verändert
werden, so daß jeder. gewünschte Druck und jede gewünschte Temperatur für die Verbrennungsgase
vorher bestimmt werden kann.