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Verpuffungsbrennkraftturbine mit offener Brennkammer Die Lösung des
Gasturbinenbaues ist hauptsächlich nach zwei Richtungen hin versucht worden, nämlich
mittels Gleichd'ruckverbrennung und mittels Verpuffung.
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Das Gleichdruckverfahren nach Art der Druckfeuerung erzeugt so hohe
Temperaturen, daß eine Kühlung der Feuergase nötig wird. Der Kühler ist meistens
ein Dampferzeuger.
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Das Verpuffungsverfahren erlaubt einen Gasturbinenbetrieb ohne große
Kühlverluste. Bisher wurde dieses Verfahren so durchgeführt, daß in Kammern ein
Gasgemisch mit Unterbrechungen zur Verpuffung gebracht wurde. Ein Düsenventil gab
den Feuergasen den Weg zu den Düsen frei. Dieses Düsenventil ist nicht nur das mechanisch
und thermisch höchst beanspruchteste Organ der Gasturbine, sondern bestimmt auch
das Arbeitsverfahren der Verpuffungsgasturbine. Dieses ist insofern der Gleichdruckgasturbine
gegenüber im Nachteil, als bei jedesmaligem Schließen des Düsenventils die Strömung
unterbrochen wird und beim öffnen die Turbine und die davor gelagerten Räume erst
wieder neu mit Feuergas aufgefüllt werden müssen, bevor Treibwirkung in *den Turbinenschaufeln
entsteht.
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Diese Nachteile werden gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß
die Brennkammer auf- ihrer Auslaßseite über eine Einschnürung mit einem Raum, dem
Sperraum, in Verbindung steht, von dem die Ausströmdüse abzweigt.
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Hierdurch wird erreicht, daß Düsenventile überflüssig werden.
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In Abb. r ist eine Brennkammer gemäß der Erfindung dargestellt, bei
welcher die Brennstoffeinspritzung bei offenen Düsen in stehende, am Abströmen verhinderte
Luft er-Ugt. Die Kammer besteht aus zwei Teilen, dem Brennpunkt k mit dem
durch Nocken l
gesteuerten Brennluftventil d und dem Sperrraum m mit
dem selbsttätigen Sperrluftventil e. Die Ventile d und e entnehmen
die Luit aus der gemeinsamen Leitung n. Die Brennstoffeinspritzung erfolgt durch
Öffnungen o. Wird als Brennstoff ein Gas verwendet, so kann dieses durch einen kleinen
Kolbenverdichter gesondert in die Kammer gepreßt werden.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Der Nocken Z öffnet das Ventil d,
die vom Verdichter kommende kalte Brennluft strömt durch Kammer und Düsen c zum
Rad. Das Ventil e schließt durch Federdruck. Nachdem Raum k mit Brennluft, gefüllt
ist, schließt Ventil d und Ventil e öffnet selbsttätig. Durch Ventil e strömt nun
Sperrluft, welche vorerhitzt sein kann, in den Sperraum m und durch die Düsen c
zum Rad. Die Luft im Raum k bleibt dadurch stehen und ist zur Verpuffung bereit.
Nachdem durch Brenn-
Stoffeinspritzung Verpuffung erfolgt ist, wobei
-beide Ventile .geschlossen sind und rdie Kammer bis auf den Verdichtungsdruck .entspannt
ist; öffnet der Nocken 1 wieder das Ventil d, die Abgase werden ausgetrieben
t& *# Vorgang wiederholt sich.
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Der kleinste in der Kammer auftretende Druck ist der Verdichtungsdruck
der Brennluft, welcher nach erfolgter Entspannung in den Räumen k, n2, n gleich
ist. Die kleinen Ventile d, e haben also beim Öffnen keinen Gegendruck zu überwinden.
Die Federspannung des. nockengesteuerten Ventils d muß größer sein als die des.
Ventils e.
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Die Kammerventile d und e werden zweckmäßig als ventilähnliche Kolbenschieber
ausgeführt. Beim Ventil d hebt sich. die Rolle nicht vom Nocken ab und gestattet
dadurch erheblich- größere Beschleunigungen als beim aufsetzenden Ventil. Ein derartiger
ventilähnlicher Schieber folgt geräuschlos mit der erforderlichen Schnelligkeit
den kleinsten Druckunterschieden. Kleine Undichtigkeiten der Schieber, welche z.
B. in einem Motor erhebliche Druckverluste bedingen würden, sind in der Verpuffungskammer
praktisch belanglos.
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In Abb. z und 3 sind zwei Brennkammern dargestellt, bei welchen die
Sperrluft mittels Rohre durch die Kammer geführt wird, und zwar in Abb.2 durch ein-in
der Mitte der Kammer liegendes Rohrbündel a und in Abb. 3 durch Rohre b, welche
an den Kammerwänden entlang geführt sind. Das hat den Zweck, der Sperrluft Wärme
aus der Brennkammer zuzuführen: Die Wirkungsweise ist sinngemäß die gleiche wie
in Abb. i.
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In Abb. 2 liegen die Ventile d und e gemeinsam im Kopf der Kammer.
Auch die Brennstoffeinspritzung kann von hier aus erfolgen.
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In Abb: 3 ist das Sperrluftventil e. durch feste Strömungsdrosseln
oder Staugitter t ersetzt, die nur in der Richtung nach den Düsen durchlässig sind
und keine beweglichen Teile besitzen. In Abb. 5 ist der Querschnitt eines Staukörpers
dargestellt. In der kegeligen Bohrung f befinden sich ringförmige Einschnitte g,
welche eine Stauung der Luft hervorrufen und ein Rückströmen erschweren.
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Die Strömungsverhältnisse in der Brennkammer gestalten sich wie folgt:
Die Ventile werden von einem kalten Luftstrom durchströmt. Ein Düsenventil dagegen
hätte eine enorme Wännebelästung auszuhalten, erlaubt daher keine hohe Verpuffungszahl,
würde wie ein schlechter Drosselkörper wirken und beim Schließen die Strömung in
den Düsen unterbrechen.
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Diese Nachteile vermeidet das Sperrluftventil e. Bei Schluß
des Ventils d öffnet Ventil e und .die Strömung in den Düsen bleibt bestehen.
Die Öffnungsdauer des Ventils e ist gleich der Zeit der Brennstoffeinspritzung und-
des Zündverzuges.
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;r;:-Das Ventil d kann zweckmäßig auch so getert werden, daß eine
wechselseitige Über-Fä@e@üng mit dem Ventil e erfolgt. Der Vorgä-rzg ist im Druck
(Zeitschaubild, Abb. 6) dargestellt. Der Öffnungsquerschnitt des Ventils d ist nur
sa groß bemessen, daß Ventil e auch während des Spülvorganges teilweise geöffnet
bleibt. Diese Maßnahme hat den Zweck, die Ventilbewegungen elastisch zu machen und
Mischung der Abgase mit der Sperrluft vor den Düsen herbeizuführen.
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Die Öffnungsquerschnitte der Ventile sind in Abb. 6 flächenmäßig übereinander
gezeichnet, und zwar entspricht Fläche la dem Öffnungsquerschnitt des Ventils e,
während Fläche i den des Ventils d darstellt.
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Die Abmessungen der Brennkammer sind abhängig von fünf Zeitwerten,
nämlich von der Einspritzdauer des Brennstoffs, von der Zeit des Zündverzuges, von
der Zeit des Druckanstieges, von der Ausströmzeit der heißen Gasmasse und von der
Einströmzeit der neuen Brennluft. -Auf Kurbelwinkelgrade eines Zweitaktvergleichsmotors
von 2ooo Umdr./min bezögen, würden diese fünf Zeitwerte etwa 1200 betragen. Der
restliche Kurbelwinkel von 2¢o0, welcher- im Motor die Kolbenbewegung der Verdichtung
und Entspannung ausfüllt, tritt in der Brennkammer -nicht in Erscheinung.
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Würde man eine einfache Kammer mit offenen Düsen ohne Druckausgleichwirkung
betreiben wollen und den Brennstoff in strömende Luft einspritzen, so müßte diese
Kammer unverhältnismäßig groß und die Düsen klein werden, um die nötige kleine Luftgeschwindigkeit
in- der Kammer zu erhalten, abgesehen davon, daß Ladungsverluste unvermeidlich sind.
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Um die Turbine auf einer Betriebstemperatur von etwa 500° C halten
zu können, sind folgende Maßnahmen nötig.
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Zur genauen Spülung und Aufladung der Kammer ist das etwa 1,5fache
Luftgewicht des Kammerinhaltes nötig.
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Wird für die Sperrluft das o,5fäche Luftgewicht errechnet, so hat
der Verdichter das 2fache Luftgewicht für eine Verpuffung auf den Verdichtungsdruck
zu fördern. Bei einem Wirkungsgrad von 70 °/o für den Verdichter und 7o °/o für
die Turbine entsteht ein Arbeitsverlust von rund 5o °/o, welcher durch Vorwärmung
der Luft im Lufterhitzer auf rund 300° C eingeholt wird. Die Abgaswärme erlaubt
aber bei 2fachem Luftgewicht eine. Vorwärmung bis zu 6oo° C, so daß entweder ein
Arbeitsgewinn von* etwa 5001, entsteht
oder die durch die
Turbine strömende Luftmenge auf das 3fache Luftgewicht erhöht werden kann, was eine
Herabsetzung der Betriebstemperatur auf unter 400° C zur Folge hat. Zweckmäßig wird
die Sperrluft höher vorgewärmt als die Brennluft.
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Ein so geführter Gasturbinenbetrieb ergibt bei 2fachem Luftgewicht
und bei den angenommenen Wirkungsgraden für den Verdichter und die Turbine einen
-thermodvnamischen Wirkungsgrad von 32 °%. Kann aber für den Verdichter 75 % und
für die Turbine 8o °/o eingesetzt werden, so wird ein Wirkungsgrad von mehr als
4o % möglich.