DE654805C - Arbeitsverfahren fuer Brennkraftturbinen mit fluessigen oder gasfoermigen Brennstoffen - Google Patents

Description

Zum Unterschied von bisher bekanntgewordenen Arbeitsverfahren beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht auf die einseitige Entwicklung eines Verfahrens, das nur die Verwendung von flüssigen Brennstoffen ermöglicht und die Anwendung von gasförmigen Brennstoffen als Nebenfrage höchstens in den Bereich des Möglichen zieht. Daraus folgt das Aufgabenziel, daß ein Verfahren entwickelt wird, welches genau so wie das bekannte Verpuffungsverfahren in' den Kolbenmaschinen die Anwendung von gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen in wirtschaftlicher Weise zuläßt.

Nach den Erfahrungen bei der Entwicklung der Kolbenmaschinen ist grundsätzlich zu arbeiten mit

a) möglichst hoher Verdichtung,

b) möglichst völliger Ableitung der Verdichtungswärme,

c) gründlicher Durchwirbelung des Gemisches im Brennraum, um möglichst eine völlige Verbrennung zu erzielen,

d) vor der Zündung möglichst niedriger Temperatur.

Die bis jetzt bekanntgewordenen Arbeitsverfahren mit dauernder Verbrennung sind nicht geeignet, diese Forderungen zu erfüllen. Die beim Gleichdruckverfahren in Brennkammern erfolgende Wärmezufuhr gestattet keine nennenswerte Verdichtung. Um in der Brennkammer eine Spannung zu erzeugen, müssen die Gasabflußquerschnitte kleiner sein als die Querschnitte der in die Kammer mündenden Gaseintrittsleitungen. Die dauernd erhaltene Verbrennung in der Kammer bewirkt also eine gleichbleibende Volumenvergrößerung der Gase bei gleichbleibendem Druck schon in der Brennkammer, ehe sie überhaupt in die Räder gelangen und nutzbare Arbeit leisten. Dadurch entsteht. eine Rückwirkung, die sich gegen den Verdichter wendet und so seinen Lieferungsgrad fast gänzlich vernichtet. Tritt durch die Erwärmung nur eine sechsfache Mengenvergrößerung ein, so kann z. B. nur ein Sechstel frisches Gemisch in dem gleichen Zeitraum in die Brennkammer eingedrückt werden, in welchem gleichzeitig die ganze Menge Gas durch die Düsen abfließen kann. Das bedeutet bei diesem kleinen Beispiel schon eine Verschlechterung des Verdichterlieferungsgrades auf ein Sechstel seiner Leistung. Man kann also in einer Brennkammer nicht einmal adiabatisch verdichten, denn die Verdichtungslinie wird durch die Wärmezufuhr in die Brennkammer, welche auch als Staukammer ausgebildet sein muß, wenn überhaupt eine Spannung entstehen soll, zur Poly trope mit steigendem Exponenten η entsprechend der zugeführten Wärmemenge. Eine der wichtigsten Voraussetzungen, die den Kolbenmotor überhaupt erst lebensfähig und wirtschaftlich gestaltet hat, die Verdichtung, ist bei einer Brennkammer im gleichen Sinne nicht möglich. Es bleibt nur die Ver- 6g brennung in den Düsen übrig. Hier treten

aber Schwierigkeiten auf, die den Arbeitsablauf in Frage stellen.

Läßt man die verdichtete Luft sich ohne Wärmezufuhr entspannen und wandelt auf.. diese Weise die potentielle Energie vor der; · Wärmezufuhr in kinetische um, dann bleiÖM. wohl die volle Leistungsfähigkeit des Verdien-, tcrs aufrechterhalten, da die Wärme nicht mehr zurückschlagen kann, aber die Luft

ίο nimmt eine hohe Geschwindigkeit an (bei 6 Atm. über 400 m/sek.j. Die meisten Gase verbrennen in dieser hohen Geschwindigkeit nicht. Jedenfalls ist es schwer, in dieser hohen Geschwindigkeit eine einwandfreie Verbrennung zu erzielen. Bringt man tatsächlich eine Verbrennung zustande, dann muß damit gerechnet werden, daß durch die hohe Geschwindigkeit eine langgezogene Stichflamme entsteht, die wiederum eine unerträglich hohe Düsenlänge bedingt, wenn man das Laufrad aus dem Flammenbereich ziehen will.

Alle diese Schwierigkeiten soll der vorliegende Vorschlag überwinden.

Die Erfindung besteht darin, daß je nach Beschaffenheit des zu verarbeitenden Brennstoffes zunächst Luft und Brenngas getrennt in gleicher Höhe unter völliger Ableitung der Verdichtungswärme isothermisch verdichtet werden, worauf beide Stoffe in besonderen Mischdüsen innigst gemengt, sich auf den Anfangsdruck entspannend, mit hoher Geschwindigkeit zwei einander senkrecht sich gegenüberliegende Gegenstromdüsen durcheilend, in der eigentlichen Brenndüse zusammenprallend ihre kinetische Energie verlieren und nochmals verdichtet gleichzeitig durch eine Zündeinrichtung verbrannt werden und hierauf ohne weitere Wärmezufuhr in reiner Entspannung den Laufschaufeln zugeleitet werden.

Die Zeichnung stellt die Brenneinrichtung· einer reinen Gasturbine dar, wie sie z. B. eine Turbine zur Verbrennung von Gichtgas oder einer ähnlichen Gasart benötigt.

Am oberen Ende der eigentlichen Düseß ist ein Düsenkopf b angeschlossen., und zwar durch die in T-Form senkrecht gegenüberliegenden Gegenstromdüsen C und d. In diese Gegenstromdüsen münden in einem beliebigen Winkel zueinanderführende Gas- und Luftmischdüsene und /, die wiederum an die nicht gezeichneten Aufnehmer für die verdichtete Luft und das ebenso hoch verdichtete Gas angeschlossen sind.

Die Wirkungsweise ist folgende:

Von dem nicht gezeichneten Aufnehmer gelangt getrennt und isothermisch verdichtetes Gas und Luft in die Mischdüsen e und /, wo sie der Spannungshöhe entsprechend, durch Entspannung auf den Anfangsdruck, also ι Atm., eine hohe Geschwindigkeit annehmen.

Auf diese Weise innig gemischt, strömt das so erzeugte Gemisch weiter durch die senkrecht gegenüberliegenden Gegenstromdüsen ■'und prallt in der Mittelebene der eigentlichen ■Düse gegeneinander. Durch den Zusammen- |jprall der zwei Gassäulen wird, bedingt durch das gleiche spezifische Gewicht der gegenemanderströmenden Gasmassen, genau in der Mitte der eigentlichen Düse ein Stillstand der Massen, also eine nochmalige Verdichtung des Gemisches, erzeugt.' Durch den dauernden Fluß der gegeneinanderströmenden Gassäulen entsteht also ein dauernd aufrechterhaltener Verdichtungskern, der genau so wie die in einem Motorzylinder vorverdichtete Gasmasse durch eine Zündeinrichtung, sei es ein im Betriebe glühend erhaltenes Glühfutter oder irgendeine andere der bekannten Zündvorrichtungen, entzündet und verbrannt werden kann. Dadurch, daß die Düse einseitig offen ist, verläuft die Zustandsänderung entgegengesetzt zu der bekannten Zustandsänderung aller Verpuffungskolbenmotoren während der Wärmezufuhr. Denn die bekannten, die Diagrammfläche einschließenden Wärmekurven oder Leistungskurven sind stets Linien steigender oder fallender Spannung, mit *A.usnahme der Isobare, die eine Linie gleichbleibender Spannung darstellt. Entgegengesetzt hierzu stellt die Verbrennungslinie nach dem beschriebenen Verfahren eine Linie spannungsloser Volumenvergrößerung durch Wärmezufuhr dar. Die entstehende Zustandsänderung kann durch ihre Spannungslosigkeit keine potentiellen Energiewirkungen erzeugen, wie z. B. in der Holzwarthschen Brennkammer, sondern entwickelt sich ohne Zeitverlust unbedingt in die für Turbinen einzig geeignete kinetische Energie.

Der technische Fortschritt ergibt sich aus folgendem:

Durch den im Düsenkopf erzeugten, vorverdichteten Ladungskern sind für den Verbrennungsvorgang dieselben Voraussetzungen geschaffen worden, wie sie für einen einwandfreien Brennvorgang im Motorzylinder erforderlich sind. Nun kann man auch alle Erfahrungen aus dem Motorbau zur Entwicklung der Gasturbine anwenden, denn man kann:

a) beliebig hoch verdichten,

b) durch die bisher getrennte Verdichterausführung auf wirtschaftliche Art, nämlich isothermisch, verdichten, somit also noch wirksamer als beim Motor die Verdichtungswärme ableiten,

c) durch die im Gegenstrom in hoher Geschwindigkeit gegeneinanderprallenden Gasmassen durch die rasante Durchwirbelung des Gemisches die überhaupt erreichbare;, völlige Verbrennung erreichen,

Claims (2)

1. d) durch die Möglichkeit der isothermischen Verdichtung die niedrigste Temperatur vor der Zündung erzielen.

   Um das eben beschriebene Verfahren zum Betriebe mit flüssigen Brennstoffen 'einzurichten, ist eine Veränderung grundsätzlich nicht erforderlich. Lediglich die Gasmischdüsen fallen fort und werden durch eine der bekannten Einrichtungen, wie Einspritzdüsen

   ίο oder Vergaser, ersetzt. Der flüssige Brennstoff wird fein vernebelt in die Gegenstromdüsen gebracht und durch die hohe Geschwindigkeit des Luftstromes aufs feinste zerlegt und nach dem oben beschriebenen Verfahren verbrannt. Weitere Veränderungen treten nicht ein.

   Pa τ ε ν τ λν$ ρR fc η ε:

   ι. Arbeitsverfahren für Brennkraftturbinen mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Beschaffenheit des zu verarbeitenden

   Brennstoffes zunächst Luft und Brenngas getrennt in gleicher Höhe unter völliger 25 Ableitung der Verdichtungswärme isothermisch verdichtet werden, worauf beide Stoffe in besonderen Mischdüsen innigst gemengt sich auf den Anfangsdruck entspannend,· mit hoher Geschwindigkeit zwei 30 einander senkrecht gegenüberliegende Gegenstromdüsen durcheilend, in der eigentlichen Brenndüse zusammenprallend ihre kinetische Energie verlieren und nochmals verdichtet gleichzeitig durch eine Zürid- 35 einrichtung verbrannt werden und hierauf ohne weitere Wärmezufuhr in reiner Entspannung den Laufschaufeln zugeleitet werden.
2. 2. Arbeitsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein flüssiger Brennstoff durch bekannte Injektionseinrichtungen unmittelbar in die Gegenstromdüsen gebracht wird, um hierauf den oben angegebenen Verarbeitungsweg in gleicher Weise zu durchlaufen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen