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Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von Brennkraftmaschinen, insbesondere
Verpuffungsbrennkraftturbinen In der Erkenntnis, daß es durch Unterdrucksetzung
des Kühlmittels gelingt, hohe Kühlmitteltemperaturen in den Kühlräumen zu erzeugen,
hat man vorgeschlagen, Brennkraftmaschinen durch ein unter hohem Druck stehendes
wärmeaufnehmendes Mittel zu kühlen. Das wärmeaufnehmende Mittel selbst kann dabei
in hochgespannten Dampf umgesetzt oder über Wärmetauscher zur Erzeugung hochgespannten
Dampfes aus einem zweiten Mittel herangezogen werden. Das bekannte Verfahren konnte
jedoch nicht unbeschränkt Anwendung finden, weil bei Brennkraftmaschinen Teile vorhanden-sind,
die infolge ihrer aus anderen Rücksichten gebotenen Formgebung nicht dem erforderlichen
Kühlmitteldruck in voller Höhe ausgesetzt werden können. Oft besteht auch infolge
bestimmter, unabänderlich bedingter Kühlkanalführungen die Gefahr, daß sich in den
Kühlräumen Dampfblasen ausscheiden und Dampf= nester bilden können, so daß die wirksame
Kühlung Unterbrechungen' erleidet und als Folge Beschädigungen, Rißbildungen usw.
auftreten. Es besteht zwar die Möglichkeit, diese Teile durch schwer verdampfende
Mittel, insbesondere also hochsiedende Öle, zu kühlen; die Verwendung verschiedener
wärmeaufnehmender Mittel ist aber unerwünscht, so daß man bisher darauf verzichtet
hat, die Kühlwärme dieser kleinen empfindlichen Teile in wirtschaftlicher Weise
auszunutzen. Vorliegende Erfindung setzt sich die Ausbildung von Verfahren und Vorrichtungen
zur Aufgabe, mit deren Hilfe es gelingt, unter Verwendung ein. und derselben Art
des Kühlmittels auch die Wärme aus druckempfindlichen Teilen der Brennkraftmaschine
abzuführen, ohne daß der grundsätzliche Vorteil der Wärmeabfuhr durch ein .unter
hohem Druck stehendes Kühlmittel aufgegeben zu werden braucht; die vollständige
Lösung der Aufgabe schließt die Erfüllung der weiteren Bedingungen ein, die Gefahr
der Bildung von Dampfnestern völlig zu vermeiden und vor allem eine Prüfungsmöglichkeit
darüber zu gewähren, daß die einzelnen Teile tatsächlich in völlig ausreichendem
Maße gekühlt werden. Das zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagene
Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß druckempfindliche Teile der - Brennkraftmaschine,
bei Verpuftungsbrennkraftturbinen vorzugsweise Schaufeln, Ventilgehäuse, Einströmkästen,
Zündkerzen und elastisch ausgebildete Überströmkanäle, durch wärmeaufnehmende Mittel
geringen Druckes unter Ausnutzung der durch diese Mittel aufgenommenen Wärme gemeinsam
mit der- im Mittel hohen Druckes enthaltenen Wärme gekühlt werden. Es ergibt sich
also die Möglichkeit, den Druck des diesen -druckempfindlichen Teilen zuzuführenden
Kühlmittels jeweils der Drucksicherheit der betreffenden Bauteile anzupassen und
trotzdem
die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme in einfacher Weise
auszunutzen, weil die Verwertung der aufgenommenen Wärme gemeinsam mit der Ausnutzung
der im -!Mittel hohen Druckes enthaltenen Wärme geschieht.
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Geht man von dem zur Kühlung von Brennkraftmaschinen in Betracht kommenden
und vorgeschlagenen Umwälzverfahren aus, bei dem das in einem Verdampfungskessel
enthaltene Wasser mittels besonderer Pumpen durch die Kühlräume der Brennkraftmaschine
gedrückt und in ihnen teilweise verdampft wird, so daß es als Dampfwassermischung
dem Kessel wieder zufließt, in welchem dann der entwickelte Dampf abgeschieden .wird,
so wird in entsprechender Durchführung des Erfindungsgedankens die von den wärmeaufnehmenden
Mitteln niederen Druckes aufgenommene Wärme vorteilhaft auf den zu verdampfenden
Stoff, insbesondere also das Speisewasser des Hochdruckkessels, übertragen. Da es
sich um verhältnismäßig geringe Wärmemengen handelt, kann das Speisewasser diese
Mengen ohne weiteres aufnehmen und dem Hochdruckkessel zuführen. Von dem Speisewasser
könnten hierbei zunächst die Teile mit der größten Druckempfindlichkeit mit geringstem
Druck durchströmt werden und anschließend unter fortschreitender Druckerhöhung -
die widerstandsfähigeren Teile. Eine unmittelbare Durchströmung der Kühlräume dieser
druckempfindlichen Teile durch das Speisewasser führt aber zu Schwierigkeiten hinsichtlich
der völlig gleichmäßigen Speisung des Dampfkessels. Schwankt nämlich vorübergehend
die Dampfentnahme aus dem Kessel oder hört sie sogar vorübergehend auf, so darf
die Zuführung der Speisewassermenge nicht .entsprechend - gedrosselt oder sogar
beendet werden, da in diesem Falle die Kühlung der vom Speisewasser durchströmten
Teile ungenügend würde. Insbesondere besteht auch die Gefahr, daß beim Aussetzen
der Speisung infolge von Störungen die Kühlung der in Betracht kommenden Teile völlig
unterbrochen würde. -Schließlich müßte in diesem Falle der Druck des Speisewassers
stufenweise erhöht werden, so daß verhältnismäßig verwickelte Pumpen- und Rohrleitungsanordnungen
entstehen würden.
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Aus diesen Gründen wird in weiterer Durchführung des Erfindungsgedänkens
vorgeschlagen, die von den wärmeaufnehmenden Mitteln geringen Druckes aufgenommene
Wärme über Wärmetauscher an das Speisewasser der Hochdruckkühlanlage abzugeben.
Durch entsprechende Schaltung der Kühlmittelströme und Wärmetauscher kann dabei
erreicht werden, daß die Kühlmittelströme geringen Druckes die aufgenommene Wärme
auf einen Kühlinittelstrorn oder mehrere Kühlmittelströme mittleren Druckes übertragen,
welche die aufgenommene Wärme zusammen mit der vonr den Kühlmittelströmen niederen
Druckes -übertragenen Wärme an die Hochdruckkühlanlage, insbesondere an- das Speisewasser
für den Hochdruckkessel, abgeben. Es entsteht also für jeden Druck ein besonderer
Kreislauf. Wird eingemeinsamer Sammelbehälter in die Kühlmittelströme niederen Druckes
eingeschaltet, so ergibt sich eine besonders einfache Möglichkeit, die Kühlmittelströme
niederen Druckes einzeln nach Durchflußmengen einstellbar und nach Temperaturen
und Durchflußmengen überwachbar auszubilden, wenn man die einzelnen Kühlmittelströme
oberhalb des gemeinsamen Sammelbehälters unter Schaffung freier, der Beobachtung
zugänglicher Ausläufe freilegt. Es endigen also die geschlossenen Rohrleitungen
für die Kühlmittelströme niederen Druckes bereits oberhalb des Sammelbehälters,
so daß man jeden einzelnen Kühlmittelstrom an der Auslaufstelle genau beobachten
und durch mehr oder weniger. große Drosselung der Ströme das Maß der Wärmeabfuhr
verändern und richtig einstellen kann.
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Zweckmäßig werden die Kühlmittelströme geringen Druckes an zusätzlichen
Wärmetauschflächen entlang geführt, die bei unterbrochener Speisung der Hochdruckanlage
mit besonderem Kühlmittel beschickt werden. Auf diese Weise wird die.Betriebssicherheit
der Anlage erhöht, da bei unterbrochener Speisung des Hochdruckkessels die Anlage
nicht stillgesetzt zu werden braucht; es wird vielmehr der besondere Kühlmittelstrom
auf die zusätzlichen Wärmetauscher zur Wirkung gebracht,-womit die sonst vorn Speisewasser
des Hochdruckkessels aufgenommene Wärme abgeführt wird. Die durch die Einschaltung
der Wärmetauscher geschlossen zu haltenden Kreisläufe haben den besonderen Vorteil,
.daß ein besonders reines, entlüftetes Speisewasser verwendet werden kann, so daß
jegliche Kesselsteinbildung und Verrostung mit Sicherheit verhütet werden.
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Es liegt im Wesen der Erfindung, daß bei gleicher Druckfestigkeit
der zu kühlenden Bauteile die vorgeschlagenen Maßnahmen unter Gewährung der geltend
gemachten weiteren Vorteile auch dann Verwendung finden können, wenn die Kühlmittel
unter einheitlichem Druck stehen.
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Die Zeichnung zeigt eine Ausführung des Erfindungsgedankens am Beispiel
einer Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage.
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Es bezeichnet r eine im Schnitt dargestellte Verpuffungskammer, die
in an sich bekannter Weise mit einem Spülluftventil 2, Brennstoffeinlaßventi1 g,
Nächladeventil 4, Zündkerzen 5, Düsenventil 6 und Auslaßventil 7 versehen
ist.
Die Arbeitsverfahren einer derartigen Verpuffungskammer und der Brennkraftturbine
sind bekannt.
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Die Ventile 2, 3, q., 6 und 7 sind nur in Ansicht gezeichnet worden"
so daß man lediglich die Steuerzylinder erkennt. Aus Gründen besserer Darstellung
ist das Düsenventil 6 und das Ausströrnventil 7 links neben der Turbine nochmals
herausgezeichnet worden, um die Schaltung der Kühlmittelströme deutlicher darstellen
zu können.
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Bei der Kühlung der Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage ist von dem
bekannten Umwälzverfahren ausgegangen worden, bei dem in einem Verdampfungskessel
enthaltenes Wasser mittels besonderer Pumpen durch die Kühlräume der zu kühlenden
Maschinenteile@ gedrückt und in ihnen teilweise verdampft wird; die Dampfwassermischung
strömt dem Kessel wieder zu, wobei sich im Kessel der entwickelte Dampf abscheidet.
Infolge der erforderlichen hohen Drücke eignet sich das bekannte Verfahren jedoch
lediglich zur Kühlung der wesentlichsten Hauptteile einer Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage;
nämlich der Verpuffungskammern selbst, des Turbinengehäuses und der Gehäusezwischenwand,
da diese Teile ohne weiteres so druckfest ausgebildet werden können, wie dies mit
Rücksicht auf den hohen Kühlmitteldruck erforderlich ist. Demgemäß entnimmt eine
Umwälzpumpe 17, die durch einen Elektromotor 18 angetrieben wird, aus dem Kessel
ig der Hochdruckkühlanlage über Leitung 2o Kesselwasser und drückt es in die Leitung
2,1. Die Leitung 21 verzweigt sich bei 22, 23 und 24. auf die Kühlräume der Verpuffungskammer,
des Turbinengehäuses und der Gehäusezwischenwand. Das der Verpuffungskammer über
Leitung 22 zugeführte Kühlwasser tritt zunächst in die Kühlräume 25 des Einlaßendes
der Verpuffungskammer, hierauf in den Kühlraum 26 des Mittelteils und schließlich
in die Kühlräume des nicht im Schnitt gezeichneten Kammerkopfes ein, in welchem
das Düsenventil 6 und das Auslaßventil 7 angeordnet sind. Aus dem Kühlraum des Kammerkopfes
27 wird das Kühlwasser über Rohr 28 und Sammelrohr 29 in den Hochdruckkessel ig
zurückgeführt. In ähnlicher Weise leitet das Rohr 23 das Kühlwasser den Kühlräumen
3o des Turbinengehäuses 16 zu, aus welchen es über Rohr 31 in das Sammelrohr
29 zurückgeleitet wird. Schließlich durchströmt ein Teil des Kühlwassers über Rohr
24 den Kühlraum 32 der Zwischenwand i i des Gehäuses 16 und verläßt diesen über
das Rohr 33, das in das Sammelrohr 29 einmündet. Die Kühlung der Verpuffungskammerwände,
der Wandungen des Turbinengehäuses und der Gehäusezwischenwand geht also in der
Weise vor sich, daß in den Kühlräumen eine starke Dampfbildung stattfindet, durch
welche den Wandungen kräftig Wärme entzogen wird, so daß gefährliche Temperaturanstauungen
mit Sicherheit vermieden werden. Im Rohr 29 selbst bildet sich ein Wasserdarnpfgemisch,
das der Menge nach zu weitaus überwiegendem Teil aus Dampf besteht. Die Kühlwasserströme
sind deshalb so angeordnet, daß sie gleichmäßig von unten nach oben ansteigen, damit
der Dampf unbehindert nach oben zusammen mit dem nicht verdampften Kühlwasser abströmen
kann. Auf diese Weise wird die Bildung von Dampfnestern mit Sicherheit vermieden.
Sämtliche Rohrleitungen und Kühlräume der Umwälzanordnung stehen naturgemäß unter
dem vollen Druck des Kessels ig.
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Diesem Druck dürfen aber einige Bauteile der Turbinenanordnung nicht
ausgesetzt werden, da ihr in Hinsicht auf andere Erfordernisse bestimmter Aufbau
die mit Rücksicht auf eine wirtschaftliche Dampferzeugung gebotenen Kühlmitteldrücke
nicht zuläßt. Außerdem gewährt der geschlossene Hochdruckkreislauf, wenn man nicht
für jeden Kühlraum eine besondere Kühlpumpe vorsehen will, keine Gewähr dahin, daß
durch die Kühlräume zur Kühlung ausreichende Kühlmittelmengen treten. Erfindungsgemäß
werden daher die druckempfindlichen Teile der Verpuffungsbrennkraftturbine, also
insbesondere die Schaufeln g und 13, die Gehäuse der Ventile ¢, 6 und 7, die Zündkerzen
5 und die elastisch ausgebildeten Überströmkanäle 34 zwischen Düsenventil 6 und
Düse 8, durch wärmeaufnehmende Mittel geringen Druckes unter Ausnutzung der aufgenommenen
Wärme gemeinsam mit der im Mittel hohen Druckes enthaltenen Wärme gekühlt. Die gemeinsame
Ausnutzung erfolgt dabei dadurch, daß die von den Kühlwasserströmen geringen Drukkes
aufgenommene Wärme im Speisewasservorwärmer 35 an das über die Leitung 36 zugeführte
Speisewasser abgegeben wird. Das so vorgewärmte Speisewasser tritt über Leitung
37 in den Kessel ig ein.
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Ein Kühlmittelstrorn geringen Druckes wird zunächst durch die Pumpe
38 erzeugt, die vom Elektromotor 39 aus angetrieben wird. Die Pumpe 38 entnimmt
dabei das Kühlwasser aus dem Behälter qo über Leitungen 41 und ¢2 und drückt das
Kühlwasser über Leitung 43 in die Kühlräume des elastisch ausgebildeten Kanals 34
zwischen Düsenventil 6 und Düse B. Dieser mit Rücksicht auf die Wärmeausdehnungen
elastisch ausgeführte Verbindungskanal 34, der auch als Düsenvorraum bezeichnet
wird, nimmt einerseits eine große Wärmemenge auf, darf andererseits aber keinem
hohen Außendruck
ausgesetzt werden, da sonst seine mit Rücksicht
auf die Wärmespannungen dünn auszuführenden Wandungen eingedrückt würden. Die Pumpe
38 drückt daher das Kühlwasser diesem Bauteil nur mit einem geringen Druck zu. Das
Kühlwasser verläßt nach Aufnahme der abzuführenden Wärme die Kühlräume des Verbindungskanals
34 über Leitung 44, über die es dem Wärmetauscher 45 zugeführt wird. l..Tber Leitung
46 gelangt es in den Kühlwasserbehälter 4o zurück.
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Die von dem beschriebenen Kühlwasserstrom geringen Druckes aufgenommene
Wärme wird nun in dem Wärmetauscher 45 an einen Kühlwasserstrom mittleren Druckes
übertragen. Dieser Kühlwasserstrom mittleren Druckes wird von der Pumpe 47, angetrieben
durch den Elektromotor 48, in Bewegung gehalten. Die Pumpe 47 entnimmt das Kühlwasser
wiederum der Leitung 41 über Stutzen 49 und drückt es über die Leitungen 5o und
5 1 in den Wärmetauscher 45. Das im Wärmetauscher 45 durch Aufnahme der Düsenvorraumwärme
aufgeheizte Kühlwasser strömt über Leitung 52 den Kühlwasserräumen des Einströmkastens
53 zu, um hierauf über die Leitungen 54 und 55 den Kühlräumen der Zündkerzen 5 zugeleitet
zu werden. Leitung 56 führt das Kühlmittel hierauf den Kühlräumen des Düsenventilkörpers
6 und des Auslaßventilkörpers 7 zu, worauf es über Leitung 57 und Sammelleitung
58 in den Wärmetauscher 35 gelangt, in dem die gesamte aufgenommene Wärme an das
Speisewasser für die Hochdruckkühlanlage, wie oben beschrieben, abgegeben wird.
Von dem Wärmetauscher 35 fließt das rückgekühlte Kühlwasser über Leitung 59, den
Zusatzkühler 6o und Leitung 61 zum Sammelbehälter 40 ab.
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Der ' Zusatzkühler 6o, der mittels der Leitungen 62 und 63 mittels
eines besonderen Kühlmittels gekühlt werden kann, ist. angeordnet, um bei gedrosseltem
oder ausfallendem Speisewasserstrom vorübergehend die Wärme abführen zu können,
die in dem Kühlwasserstrom der Leitung 58 enthalten ist. Die Anordnung dieses zusätzlichen
Kühlers stellt also eine Sicherheitsmaßnahme dar.
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Ein Teilstrom des zuletzt beschriebenen Kühlmittelstromes ist dabei
aus der Leitung 5o durch die Zweigleitung 64 abgespalten worden. Dieser Teilstrom
hat die Aufgabe, einige Teile der Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage zu kühlen,
welche besonders enge Kanäle besitzen, so daß genügend Kühlwassermengen nur unter
Zulassung eines verhältnismäßig hohen Druckgefälles durch die Kühlkanäle hindurchgepreßt
werden können. Aus der Leitung 64- werden also die Leitungen 65, 66 und 67 gespeist,
welche die Ventilspindeln 68 und 69 des Düsen- und Auslaßventils 6. und 7 sowie
die Schaufeln 9 und 13 der Räder to und 14 kühlen. Das aufgeheizte Kühlwasser strömt
von den Ventilspindeln über die Leitungen 79 und 71 und von den Schaufeln
9 und 13 über die Leitung 72 dem Sammelbehälter 40 zu. Die Kühlung der Schaufeln
9 und 13 ist dabei so ausgestaltet, daß das aus der Leitung 67 eintretende Kühlwasser
in die innere Bohrung der Turbinenradwelle 73 einströmt und aus dieser über Bohrungen
74 in den Rädern To und 14 den Schaufeln zuströmt. Die Bohrungen 75 sind vorgesehen,
um das Kühlwasser in die Außenbohrung der Welle 73 zurückzuführen, aus der es in
die Leitungen 72 abfließt.
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Die in dem zuletzt beschriebenen Teilstrom aufgenommene Wärmemenge
ist geringfügig. Sie wird trotz unmittelbarer Zuleitung des durch ihre Aufnahme
entsprechend aufgeheizten Kühlwassers in den Sammelbehälter 40 dadurch auf das Speisewasser
übertragen, da8 diejenige Kühlwassermenge, welche im Wärmetauscher 35 vom Speisewasser
zurückgekühlt worden war, auf eine geringere Temperatur erniedrigt wird, als im
Kühlwasserbehälter 4o herrscht. Das aus der Leitung 61 in den Behälter 4o strömende
Kühlwasser kühlt also die in diesem Behälter enthaltene Kühlwassermenge um so viel
ab, wie sie durch Zuströmen des heißen Kühlwassers aus den Leitungen 70, 74 72 erwärmt
wird. Diese besonders einfache Übertragungsart für geringfügige Wärmemengen an das
Speisewasser, wie sie in dem aus den Leitungen 70, 71
und 72 zugeführten.
Kühlwasser enthalten sind, wird dadurch ermöglicht, daß die Kühlmittelströme geringen
Druckes auf den gleichen Sammelbehälter 40 arbeiten.
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Um die Überwachung der einzelnen Kühlmittelströme zu erleichtern,
sind die hierzu erforderlichen Drosselvorrichtungen und Meßeinrichtungen-auf einer
gemeinsamen Bedienungstafel angeordnet, und zwar so, daß die zur Einstellung der
Drosseleinrichtungen je eines Kühlmittelstromes erforderlichen Meßvorrichtungen
im Zuge des betreffenden Kühlmittelstromes liegen. Es ist nämlich wichtig, daß die
Temperatuien des Kühlwassers, welche in den einzelnen Kühlmittelströmen auftreten,
auf einen bestimmten Wert eingestellt bleiben, damit die richtigen Wärmemengen abgeführt
und in den hierfür vorgesehenen Wärmetauschern richtig übertragen werden. Die Einhaltung
dieser Temperaturei kann einfach durch Einstellung der durchströmenden Kühlwassermenge
mittels einer Drosselvorrichtung, erreicht werden. Derartige Drosselvorrichtungen
sind auf der für alle Kühlmittelströme geringen Druckes gemeinsamen Bedienungstafel
76 bei 77 für die
Leitung 7o, bei 78 für die Leitung 46, bei 79
für die Leitung 71, bei 8o für die Leitung 61 und bei 8 1 für dieLeitung
72 vorgesehen. Die entsprechenden Temperaturen werden an den Thermometern 82 bis
86 abgelesen. Um mit Sicherheit feststellen zu können, daß die vorgeschriebenen
Drücke in den Kühlwasserströmen nicht überschritten werden, sind noch Manometer
87 bis gi angeordriet. Die eigentlichen Kühlwasserströme können jedoch an den durch
Unterbrechungen der Leitung geschaffenen offenen Ausläufen 92 bis 96 festgestellt
werden, wobei diese Ausläufe selbstverständlich auch durch mechanisch wirksame Durchflußmesser
ersetzt werden können.