DE646900C

DE646900C - Internal combustion engine, in particular gas turbine, with precompression in stages through the exhaust gases

Info

Publication number: DE646900C
Application number: DEW88974D
Authority: DE
Original assignee: ADAM WITTMER
Current assignee: ADAM WITTMER
Priority date: 1932-05-13
Filing date: 1932-05-13
Publication date: 1937-06-23

Description

Brennkraftmaschine, insbesondere Gasturbine, mit Vorverdichtung stufenweise durch die Abgase Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine, insbesondere Gasturbine, mit Vorverdichtung stufenweise durch die Abgase.Internal combustion engine, in particular gas turbine, with precompression in stages through the exhaust gases The invention relates to an internal combustion engine, in particular Gas turbine, with pre-compression step by step through the exhaust gases.

Bei den bekannten Gasturbinen mit Vorverdichtung durch die Abgase ist man auf eine beschränkte Vorverdichtung angewiesen, und zwar deswegen, weil die einzelnen Stufen in sich abgeschlossen sind und infolgedessen in jeder Stufe das brennbare Gemisch vom Höchstdruck auf den geringsten Druck entspannt wird. Daraus ergibt sich wegen der Unmöglichkeit, bei der Vorverdichtung auf hohe Drücke zu kommen, eine Unwirtschaftlichkeit der bekannten Gasturbinen.In the known gas turbines with pre-compression by the exhaust gases one is dependent on a limited pre-compression because the individual stages are self-contained and consequently in each stage the flammable mixture is expanded from the maximum pressure to the lowest pressure. From it arises because of the impossibility of reaching high pressures during the pre-compression, an inefficiency of the known gas turbines.

Dieser Mangel ist nach der Erfindung dadurch behoben, daß die in den einzelnen Stufen verdichtete frische Ladung von der einen Stufe in die nächste Stufe höheren Druckes mit Hilfe der Energie der Abgase aus dieser Stufe höheren Druckes umgelagert wird. Auf diese Weise hat man es in der Hand, durch eine beliebig wählbare Vorverdichtung mit dem Vorverdichtungsdruck so weit zu gehen, wie es die Festigkeitseigenschaften des verwendeten Baustoffes zulassen.This deficiency is remedied according to the invention in that the in the individual stages compressed fresh cargo from one stage to the next higher pressure with the help of the energy of the exhaust gases from this higher pressure stage is relocated. In this way you have it in your hand, through a freely selectable one Pre-compression with the pre-compression pressure to go as far as the strength properties of the building material used.

Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen der Erfindung als Beispiele dargestellt.The drawing shows two embodiments of the invention as examples shown.

Fig. i ist ein Schaubild einer vierstufigen Gasturbine. Fig.2 zeigt ein Schaubild einer nach den Grundsätzen der Erfindung ausgebildeten Kolbenbrennkraftmaschine.Figure i is a diagram of a four stage gas turbine. Fig.2 shows a diagram of a reciprocating internal combustion engine constructed in accordance with the principles of the invention.

Mit 1, 2, 3 und 4 sind vier Turbinenlaufräder bezeichnet, die auf einer gemeinsamen Welle arbeiten. Das Turbinenlaufrad i ist durch eine Leitung 5 mit einem Behälter 6 verbunden, der mit einem Brennstoff einlaß 7 versehen ist. Der freie OOuerschnitt der Leitung 5 ist ungefähr so groß wie der freie Querschnitt des Behälters 6.With 1, 2, 3 and 4 four turbine runners are referred to, which on working on a common shaft. The turbine runner i is connected by a line 5 connected to a container 6 which is provided with a fuel inlet 7. The free cross section of the line 5 is approximately as large as the free cross section of the container 6.

In gleicher Weise sind an das Turbinenrad 2 durch eine Leitung 8 ein Behälter g, an das Turbinenrad 3 durch eine Leitung io ein Behälter i i und an das Turbinenrad 4 durch eine Leitung i2 ein Behälter 13 angeschlossen. Die-freien Querschnitte der Verbindungsleitungen 8, io, 12 sind möglichst groß und nach Möglichkeit so gewählt, daß sie etwa den Querschnitten der zugehörigen Behälter g, 11 und 13 entsprechen. Die Behälter 6, 9, 11, 13 stehen durch Leitungen 14, 15, 16 miteinander in Verbindung. Auch die freien Querschnitte dieser Leitungen entsprechen nach Möglichkeit den Querschnitten der zugehörigen Behälter 6, g, 11, 13. In die Leitungen 14,i5, 16 sind Rückschlagventile 17, 18, ig eingeschaltet. Der Behälter 13 ist über ein Rückschlagventil 2ö durch eine Leiturig 21 an die Atmosphäre angeschlossen. Die Auslaßseiten der Turbinenlaufräder i, 2, 3, d. sind der Reihe nach durch Leitungen 22, 23, 2.1 an die Behälter 9, 11, 13 ange-, schlossen. Das Turbinenlaufrad d. mündit. durch eine Leitung 25 in die Atmosphäre.'*, In -. die Leitungen 3, 8, io. 12 sind Absperrorgane 26, 2;, 28, 29 eingeschaltet.In the same way, a container g is connected to the turbine wheel 2 through a line 8, a container ii is connected to the turbine wheel 3 through a line io, and a container 13 is connected to the turbine wheel 4 through a line i2. The free cross-sections of the connecting lines 8, 10, 12 are as large as possible and, if possible, selected so that they roughly correspond to the cross-sections of the associated containers 11 and 13. The containers 6, 9, 11, 13 are connected to one another by lines 14, 15, 16. If possible, the free cross-sections of these lines also correspond to the cross-sections of the associated containers 6, g, 11, 13. Check valves 17, 18, ig are switched into the lines 14, i5, 16. The container 13 is connected to the atmosphere via a check valve 20 through a duct 21. The outlet sides of the turbine runners i, 2, 3, d. are one after the other through lines 22, 23, 2.1 to the containers 9, 1 1, 13 , connected. The turbine runner d. mündit. through a line 25 into the atmosphere. '*, In -. lines 3, 8, io. 12 shut-off devices 26, 2 ;, 28, 29 are switched on.

Es sei angenommen, in den Behälter 6 sei kalte Frischluft mit einem Druck von beispielsweise 8 ata auf irgendeine beliebige Weise eingelassen. In dem Behälter g seien Abgase ebenfalls mit einem Druck von 8 ata, in dem Behälter i i wieder Fischluft mit beispielsweise a ata Druck und in dem Behälter 13 Abgase mit 2 ata enthalten. Diese angenommenen Zahlen entsprechen einem Dauerbelastungszustand für niedrige Drücke und ebenso niedrige Temperaturen. Bei dem geschilderten Betriebszustand sind die Ventile 6, =; , 28 und 29 geschlossen. Das Rückschlagventil i; befindet sich im Gleichgewichtszustand, während das Ventil 18 mit einem Überdruck von 6 ata belastet ist. Das Ventil i9 befindet sich wieder im Gleichgewichtszustand, während das Ventil 2o mit einem Überdruck von i ata belastet ist.Assume that there is cold fresh air in the container 6 with a Pressure of for example 8 ata admitted in any arbitrary way. By doing Container g are also exhaust gases with a pressure of 8 ata, in container i i again fish air with, for example, a ata pressure and in the container 13 with exhaust gases 2 ata included. These assumed numbers correspond to a permanent load condition for low pressures and also low temperatures. With the described operating condition are the valves 6, =; , 28 and 29 closed. The check valve i; is located is in a state of equilibrium, while the valve 18 with an overpressure of 6 ata is burdened. The valve i9 is again in the equilibrium state while the valve 2o is loaded with an overpressure of i ata.

Wird nun das Ventil 2; in der Leitung 8 geöffnet, dann findet über das Turbinenrad 2 ein Druckausgleich zwischen den Behältern 9 und i i durch Abströmen der im Behälter 9 enthaltenen Gase in den Behälter i i statt. Die Folge davon ist, daß sich sowohl in dein Behälter 9 als auch in dein Behälter i i ein Ausgleichdruck von .I ata einstellt. In diesem Augenblick erfolgt nun unter Ausnutzung der Geschwindigkeitsenergie, mit welcher die Abgase die Frischluft vor sich hertreiben, durch Umsteuerung der Ventile eine Umlagerung der vorher im Behälter i i enthaltenen frischen Ladung in den Behälter c9.If now the valve 2; opened in line 8, then takes place over the turbine wheel 2 a pressure equalization between the containers 9 and i i by outflow the gases contained in the container 9 in the container i i instead. The consequence of this is that there is an equalization pressure in both your container 9 and your container i i from .I ata sets. At this moment, using the speed energy, with which the exhaust gases drive the fresh air in front of them, by reversing the Valves a rearrangement of the fresh charge previously contained in the container i i in the container c9.

In der Zwischenzeit ist durch Öffnen des Ventils 29 der Druckausgleich zwischen dein Behälter 13 und der Atmosphäre geschaffen, wobei der Behälter 13 mit frischer Luft von i ata Druck gefüllt «-orden ist. NVeiterhin ist in der gleichen Zeit in den Behälter 6 durch den Einlaß 7 hindurch Brennstoff eingeführt «-orden, durch dessen Verbrennung im Behälter 6 der Druck auf beispielsweise i6 ata gebracht ist.In the meantime, the pressure equalization between the container 13 and the atmosphere is created by opening the valve 29, the container 13 being filled with fresh air at a pressure. Furthermore, at the same time, fuel is introduced into the container 6 through the inlet 7, the combustion of which in the container 6 brings the pressure to, for example, 16 ata.

Nachdem dieser Druckzustand in den einzelnen Behältern erreicht ist, werden die Ventile 26 und 28 geöffnet, während die Ventile 27 und 29 geschlossen werden. Es erfolgt nunmehr der Druckausgleich zwischen den Behältern 6 und 9 auf den mittleren Druck von 8 ata und zu gleicher Zeit der Druckausgleich zwischen den Behältern i i und 13 auf den mittleren Druck von 2 ata, so daß die Drücke in den einzelnen Behältern die gleichen sind wie vorher. Nunmehr beginnt der Arbeitsvorgang von neuem. Bei diesen ganzen Vorgängen ist angenommen, daß auf beiden Seiten der Behälter die Zu-5igndsänderungen isothermisch erfolgen.After this pressure state has been reached in the individual containers, the valves 26 and 28 are opened while the valves 27 and 29 are closed. There now takes place the pressure equalization between the vessels 6 and 9 ii to the average pressure of 8 ata, and at the same time the pressure equalization between the vessels and ata to the intermediate pressure of 2 1 3 so that the pressures are the same in the individual containers as previously. Now the work process begins again. In all of these processes it is assumed that the changes in condition are isothermal on both sides of the container.

-Bei dem angenommenen Dauerbetrieb mit dem niedrigen Höchstdruck von 16 ata geht also die Umlagerung der frischen Ladung vom größten Behälter 13 bis zum kleinsten Behälter 6 in der Weise vor sich, daß in den Behälter 13 atmosphärische Frischluft durch die Leitung 21 angesaugt, auf a ata verdichtet und in diesem Zustand in den Behälter i i umgelagert wird. Von hier aus erfolgt die Verdichtung der Luft auf q. ata und gleichzeitig die Umlagerung in den Behälter 9. Hier wird die frische Ladung auf 8 ata verdichtet und in diesem Zustand in den Behälter 6 umgelagert, wo dann die Verbrennung erfolgt.-When ata continuous operation adopted by the low maximum pressure of 1 6 thus is the rearrangement of the fresh charge from the largest container 13 to the smallest container 6 in the manner envisaged that sucked into the container 13 fresh ambient air through the line 21 to a ata is compressed and in this state is relocated to the container ii. From here the air is compressed to q. ata and at the same time the relocation to the container 9. Here the fresh load is compressed to 8 ata and in this state is relocated to the container 6, where the incineration then takes place.

In der gleichen Weise würde sich der Vorgang abspielen, wenn man auf höhere Verdichtungsdrücke, z. B. 16o ata, im Behälter i6 kommen will. Es würden sich dann lediglich andere Temperaturen ergeben.The same thing would happen if you clicked on higher compression pressures, e.g. B. 16o ata, wants to come in container i6. It would then only other temperatures result.

Ein charakteristisches Merkmal der geschilderten Umlagerung besteht darin, daß auf der einen Seite der Behälter, beim dargestellten Beispiel auf der rechten Seite, die verbrannten Gase und auf der anderen Seite, beim dargestellten Beispiel auf der linken Seite, die Frischluft umgelagert werden. Bei entsprechender Bemessung der Behälter, z. B. so, daß sie im Verhältnis zu ihrem Durchmesser lang ausgeführt werden, kann die Umlagerung der Arbeitsmittel ohne mechanische Organe, d. h. also lediglich durch die Arbeitsmittel selbst, vor sich gehen. Eine beim Zusammentreffen der Arbeitsmittel in den Behältern etwa auftretende geringfügige Vermischung würde für den Betrieb der Brennkraftmaschine keinerlei schädliche Wirkungen ausüben, da die Stelle, in der eine solche etwaige Vermischung eintreten würde, stets in den Behältern verbleibt, d. h. an der Umlagerung selbst nicht teilnimmt.There is a characteristic feature of the described rearrangement in that on one side of the container, in the example shown on the right side, the burned gases and on the other side, when shown Example on the left, the fresh air being relocated. With the appropriate Dimensioning of the container, e.g. B. so that they are long in relation to their diameter can be carried out, the relocation of the work equipment without mechanical organs, d. H. So only go on through the work equipment itself. One at the meeting the working fluids in the containers would be slightly mixed do not exert any harmful effects for the operation of the internal combustion engine, since the place in which such a possible intermingling would occur is always in the Containers remains, d. H. does not participate in the relocation itself.

Es würden sich also in den Behältern gewissermaßen Gasluftkolben bilden, die die Gase von der Frischluft trennen und bei dem Betrieb der Maschine in den Behältern hin und her pendeln. An Stelle der Gasluftkolben könnten auch mechanische Mittel, z. B. an sich bekannte fliegende Kolben, treten, die ohne große Reibung in den Behältern in ausreichender Weise abgedichtet werden können.So, to a certain extent, gas-air pistons would form in the containers, which separate the gases from the fresh air and when the machine is in operation Commute containers back and forth. Instead of the gas air piston, mechanical ones could also be used Means, e.g. B. known flying pistons, which occur without much friction can be sufficiently sealed in the containers.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 handelt es sich um eine Kolbenbrennkraftmaschine, bei der die gleichen Grundsätze Anwendung finden wie bei der oben geschilderten Gasturbine. Bezüglich der Wirkungsweise der Behälter 6, 9, 11, 13 und der Art und Weise der Umlagerung der Arbeitsmittel kann daher auf die obigen Ausführungen verwiesen werden.The exemplary embodiment according to FIG. 2 is a reciprocating internal combustion engine in which the same principles are used as in the gas turbine described above. With regard to the mode of operation of the containers 6, 9, 11, 13 and the manner in which the work equipment is rearranged, reference can therefore be made to the above statements.

Bei der Kolbenmaschine ist dann nur die Steuerung der Abgase so zu.leiten, daß der' Druck auf den Kolben bei seinem Rückhube größer ist als bei seinem Vorhube oder umgekehrt, was leicht erreicht wird, wenn jedem Druckwechsel in einem Behälter eine Umdrehung der Kurbelwelle entspricht.In the case of the piston engine, only the control of the exhaust gases is then to be routed in such a way that that the 'pressure on the piston on its return stroke is greater than on its advance stroke or vice versa, which is easily achieved when every pressure change in a container corresponds to one revolution of the crankshaft.

Die Verbrennungsgase wirken hier nicht auf Turbinenlaufräder, sondern auf Kolben 30, 31, 32, 33 ein, die an den Enden der Behälter 6, 9, 11, 13 verschiebbar sind. Die Kolben arbeiten auf einer gemeinsamen Kurbelwelle 34, von der aus die von den Kolben geleistete Arbeit abgenommen wird. Die Ventile 17, 18, 19, 20 sind in diesem Fall zwangsläufig von der Kurbelwelle 34 aus gesteuert, im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig. 1, wo diese Ventile in Form von Rückschlagventilen selbsttätig arbeiten. Die Steuerung des Gaseinlasses erfolgt durch Drehschieber 35, 36, 37, 38. Die entspannten Gase treten durch die Leitung 25 hindurch aus. Die Frischluft wird zugeführt durch die Leitung 21, der Brennstoff wird eingeführt durch den Einlaß 7.The combustion gases do not act here on the turbine runners, but rather on pistons 30, 31, 32, 33, which are slidable at the ends of the containers 6, 9, 11, 13 are. The pistons work on a common crankshaft 34 from which the work done by the pistons is removed. The valves 17, 18, 19, 20 are in this case necessarily controlled by the crankshaft 34, in contrast to the embodiment of Fig. 1, where these valves in the form of check valves work independently. The gas inlet is controlled by a rotary valve 35, 36, 37, 38. The relaxed gases exit through line 25. the Fresh air is supplied through line 21, the fuel is introduced through the inlet 7.

Die Drehschieber 35, 36, 37, 38 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 39, die von der Hauptkurbelwelle 34 aus gesteuert wird.The rotary valves 35, 36, 37, 38 sit on a common shaft 39, which is controlled from the main crankshaft 34.

Die beiden dargestellten Ausführungsformen könnten in der Weise miteinander verbunden werden, daß die B.rennkraftmaschine auf der einen Seite als Kolbenmaschine und auf der anderen als Turbine ausgebildet ist. Beide Maschinenteile, d. h. also der Kolbenmaschinenteil und der Tu`rbznenteil, könnten auf einer gemeinsamen Welle arbeiten, an der die Arbeit abgenommen wird. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 könnten die Drehschieber 35, 36, 37, 38 auch als Turbinenräder ausgebildet sein, und zwar in der Weise, daß die eine Hälfte der Schieber Schaufeln erhält und turbinenmäßig ausgestaltet ist, während die anderen Hälften als Steuerschieber arbeiten. Auf diese Weise erhält man noch eine günstige Vereinfachung der Bauart. Das Besondere dabei ist das plötzliche und weite Öffnen der Leitungen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 könnten aus Zweckmäßigkeitsgründen die freien Querschnitte der Leitungen 14, 15, 16 durch gesonderte Schieber 4a, 40, 41 in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Leistung der Maschine geändert werden.The two illustrated embodiments could be related to one another in this way be connected that the B.rennkraftmaschine on the one hand as a piston engine and is designed on the other as a turbine. Both machine parts, d. H. so the piston engine part and the nozzle part could be on a common shaft work on which the work will be accepted. In the embodiment of Figure 2 the rotary valves 35, 36, 37, 38 could also be designed as turbine wheels, in such a way that one half of the slide receives blades and turbine-like is designed, while the other halves work as a control slide. To this Way you get a cheap simplification of the design. The special thing about it is the sudden and wide opening of the lines. In the embodiment according to Fig. 2 could for reasons of convenience, the free cross-sections of the lines 14, 15, 16 by separate slides 4a, 40, 41 depending on the speed and the performance of the machine can be changed.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Internal combustion engine, in particular gas turbine, with Gradual precompression through the exhaust gases, characterized in that the in Fresh cargo compacted from one level to the next in the individual levels Stage of higher pressure with the help of the energy of the exhaust gases from this stage higher Pressure is rearranged.

2. Machine according to claim 1, characterized in that the pre-compression takes place in compression tanks connected in series, their capacity according to the graduation made by the container with the highest mean pressure to the container connected to the atmosphere increases.

3. Machine according to claim 2, characterized in that the capacity the individual container grows geometrically.

4. Machine according to claims 1 to 3, characterized in that all compression tanks on a single turbine wheel work.

5. Machine according to claims 1 to 4, characterized in that the Relocation of the fresh loads in the individual compaction containers through mediation a constantly remaining in the containers gas air mass happens, which in the Containers separates the fresh cargoes from the hot exhaust gases.

6. Machine after Claim 5, characterized in that for cooling the constantly in the compression tanks remaining gas air mass on the fresh air side, a coolant is provided.