DE656286C

DE656286C - Brennkraftanlage mit Treibgaserzeuger, insbesondere Flugkolbentreibgaserzeuger

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Publication number: DE656286C
Application number: DEP71768D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1934-09-07
Filing date: 1935-09-07
Publication date: 1938-02-03

Description

REIC

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekraftanlage mit Treibgaserzeuger, insbesondere Flugkolbentreibgaserzeuger, dessen Brennkraftteil seine Nutzarbeit vollständig an die in dem zugehörigen Verdichterteil verdichtete Luft abgibt, durch diese Luft gespeist und gespült wird und ein heißes, aus einer Mischung von verdichteter Luft und Verbrennungsgasen bestehendes Treibgas ausgibt, das einer anzutreibenden Maschine, z. B. einer Turbine, zugeführt wird.

Bisher hat man bei Treibgaserzeuger der genannten Art die gesamte von dem Verdichterteil des Treibgaserzeugers verdichtete Druckluft mit den heißen Verbrennungsgasen des Brennkraftteils des Treibgaserzeugers gemischt und lediglich dieses Gemisch zum Antrieb der anzutreibenden Maschine, beispielsweise einer Turbine, benutzt. Es hat sich herausgestellt, daß in den aus der Turbine abströmenden Treibgasen noch eine ziemlich große Wärmemenge steckt, ohne daß es jedoch bisher möglich gewesen ist, diese Wärmemenge nutzbringend zu verwenden. Dies liegt an der verhältnismäßig niedrigen Temperatur der bei den bekannten Anlagen aus der Turbine austretenden Treibgase. Trotz dieser niedrigen Temperatur handelt es sich aber um verhältnismäßig große verlorengehende Wärmemengen, da es sich um große Mengen von Treibgas handelt, das aus der anzutreibenden Turbine austritt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung soll eine wesentlich bessere Ausnutzung der in den Treibgasen steckenden Energie dadurch herbeigeführt werden, daß nur ein Teil der von dem Verdichter des Treibgaserzeugers verdichteten Luft mit den Verbrennungsgasen vermischt wird und der Rest der von dem Verdichter des Treibgaserzeugers verdich· 4c teten Luft getrennt von den Verbrennungsgasen der anzutreibenden Maschine zugeführt wird, wobei der letztgenannte Teil der verdichteten Luft vor seinem Eintritt in die anzutreibende Maschine durch das aus dieser Maschine austretende Gemisch aus dem anderen Teil der Luft und den Verbrennungsgasen vorgewärmt wird. Die Folge davon ist, daß die Temperatur des aus der verdichteten Luft und den heißen Verbrennungsgasen bestehenden Gemisches wesentlich höher ist als bisher, da ja die heißen Verbrennungsgase mit einer geringeren Kaltluftmenge gemischt werden. Die weitere Folge davon besteht darin, daß die aus der Druckluft und den heißen Verbrennungsgasen be-

stehende Treibgasmenge nach erfolgter Arbeitsleistung in der anzutreibenden Maschine aus dieser mit einer höheren Temperatur austritt als bisher. Hierdurch wird nun wiederum die Möglichkeit geschaffen, Jj^■ Wärme, die noch in dem aus der Turbip|% austretenden Gemisch aus Druckluft urf^ Verbrennungsgasen steckt, zur Vorwärmung des nicht mit den heißen Verbrennungsgasen ίο vermischten Druckluftteils zu benutzen, bevor der letztgenannte Druckluftteil in die anzutreibende Maschine eintritt.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß es auch schon vorgeschlagen worden ist, die von einem Treibgaserzeuger mit Flugkolben erzeugte Druckluft einerseits und die aus dem Brennkraftteil dieses Treibgaserzeugers austretenden heißen Verbrennungsgasen anderseits völlig getrennt einer anzutreibenden Turbine zuzuführen. Hier dient weder die erzeugte Druckluft oder wenigstens ein Teil derselben zur Spülung und Speisung des Brennkraftteils des Treibgaserzeugers, noch werden die aus der Turbine austretenden Abgase zur Vorwärmung der von dem Verdichter des Treibgaserzeugers gelieferten und der Turbine zugeführten Druckluft benutzt. Weiterhin ist es an sich auch schon bekannt, bei einer Gasturbine, die aus dem Turbinenrad abströmende Menge des Verbrennungsgases zur Dampferzeugung zu benutzen. Hier handelt es sich aber um eine völlig andere Maschinengattung, nämlich um eine Gasturbine, . und nicht um eine Anlage mit einem Trei'bgaserzeuger, der einen Brennkraftzylinder und einen Verdichterzylinder sowie vorzugsweise Flugkolben umfaßt.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt Fig. ι beispielsweise eine- Wärmekraftanlage gemäß der Erfindung.

Fig. 2 und 3 stellen zwei Schaubilder dar, die dem Arbeitsspiel bei zwei verschiedenen Arbeitsweisen der zu der Wärmekraftanlage gehörenden Brennkraftmaschine entsprechen. Fig. 4 und 5 veranschaulichen zwei Verschlußventile, die zu den beiden vorstehend erwähnten Arbeitsweisen gehören.

Fig. 6 zeigt beispielsweise im Längsschnitt eine erfindungsgemäß ausgebildete Anlage, bei der die Menge der für die Speisung und Spülung der Brennkraftmaschine dienenden Druckgasmenge selbsttätig in Abhängigkeit von dem Druck des genannten Gases geregelt

wird. -

Fig. 7 stellt eine abgeänderte Ausführungsform dar, bei der die genannte Mengenreglung in Abhängigkeit von der Temperatur der Verbrennungsgase geschieht. Fig. 8 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform für die Gasmengenreglung.

Fig. 9 schließlich stellt eine Anlage gemäß der Erfindung dar, bei welcher der Verdichter zwei Druckstufen aufweist.

Bei den in der Zeichnung dargestellten fiSäsführungsbeispielen handelt es sich um fmg„ Wärmekraftanlage mit einem Drucklufteifägijger, dessen Druckluft zur Speisung und ^gegebenenfalls auch zur Spülung der Brennkraftmaschine dient, der den Luftverdichter antreibt.

Als Antriebsmaschine dient eine Zweitaktbrennkraftmaschine ι mit gegenläufigen Kolben 2¹ und 2² und mit im Gleichstrom verlaufender Gasströmung. Die Maschine treibt zwei Luftverdichter 3¹ und 3² an, deren Kolben 4¹ und 4² mit den genannten Brennkraftmaschinenkolben verbunden sind. Die verdichtete Luft, welche von den Verdichtern geliefert wird, wird in einer Leitung 5 gesammelt. Diese Leitung 5 steht mit Durchtrittsöffnungen 6 in der Zylinderwand der Brennkraftmaschine 1 in Verbindung. Die Öffnungen 6 werden am Ende des Arbeitshubes von dem Kolben 2¹ freigegeben. Die verbrannten Gase treten durch öffnungen 7 aus, welche durch den Kolben 2^a am Ende seines Arbeitshubes aufgedeckt werden, während die zur Spülung dienende Druckluft aus den Öffnungen 9 austritt.

Um zu verhindern, daß die Verbrennungsgase ebenfalls aus den öffnungen 9 entweichen, werden in der Leitung 8, in welche die Öffnungen 9 münden, selbsttätige oder gesteuerte Verschlußventile, z. B. in Form einer Klappe 10, angeordnet. Diese Klappe öffnet sich erst, wenn der Druck in dem Zylinder annähernd gleich dem Druck der durch die Leitung 5 gelieferten Luft geworden ist.

Die heißen Verbrennungsgase, die durch die Auslaßöffnungen 7 entweichen, werden in einer Leitung 11 gesammelt, die in einer anzutreibenden Maschine, beispielsweise in einer Turbine 12, mündet. In dieser entspannen sich die Verbrennungsgase bis auf den äußeren Druck. Hierbei behalten sie jedoch eine Temperatur, die höher ist als die der Luft, welche von der Leitung 5 geliefert wird und infolgedessen auch höher als die Temperatur der Luft, die zur Spülung benutzt worden ist und in der Leitung 8 gesammelt wird.

Ein wesentlicher Teil der Wärme, die in den Verbrennungsgasen steckt, wenn diese durch die Leitung 13 aus der Turbine 12 austreten, wird dadurch ausgenutzt, daß man die Verbrennungsgase durch einen Wärmeaustauscher 14 hindurchströmen läßt, in dem sich die Sammelleitung 8 der Spülluft befindet. Die Spülluft wird auf diese .Weise vorgewärmt, ehe sie zu der anzutreibenden Maschine, welche beispielsweise ebenfalls durch

die Turbine 12 gebildet werden kann, gelangt. In der Turbine' entspannt sich dann die vorgewärmte Luft ebenfalls bis auf den äußeren Druck.

Man kann durch die Brennkraftmaschine 1 die ganze verdichtete Luft, welche von der Leitung 5 geliefert wird, hindurchschicken. Man verfügt dann über einen großen Überschuß von Spülluft. Man kann aber auch, wie dies in den Fig. 6 bis 9 dargestellt ist, zur Spülung und Speisung der Brennkraftmaschine nur einen Teil der von dem Verdichter gelieferten Preßluft benutzen, indem man an ein und denselben Aufnahmebehälter 17 einerseits eine Leitung 18 anschließt, die die Preßluft der Maschine 1 zuführt, und anderseits eine Leitung 8, die die Preßluft der anzutreibenden Maschine 12 zuleitet.

Wie auch immer die jeweilige Ausführungsform sei, die eine verhältnismäßige niedrige Temperatur besitzende Preßluft, mag sie zur Spülung der Brennkraftmaschine gedient haben oder nicht, wird immer in dem Wärmeaustauscher 14 durch die Verbrennungsgase vorgewärmt, nachdem sich diese in der anzutreibenden Maschine 12 entspannt haben. Die so erzielte Verbesserung der Wärmewirtschaftlichkeit ist eine Folge der Tatsache, daß die Temperaturerhöhung des von Hause aus eine niedrige Temperatur besitzenden Antriebsmittels durch die Wärme geschieht, die sonst nach dem Austritt der Antriebsgase aus der anzutreibenden Maschine verloren wäre. Eine Folge davon ist es auch, daß die Verbrennungsgase mit einer niedrigeren Temperatur austreten, als ihre Temperatur wäre, wenn sie mit dem von dem Verdichter gelieferten Druckgas vor ihrem Eintritt in die anzutreibende Maschine ge-.

mischt worden wären. Das Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine 1 kann eine abgebrochene Entspannungszeit umfassen, wie dies aus dem Schaubild der Fig. 2 ersichtlich ist, oder es kann auch eine verlängerte Entspannung umfassen, wie dies aus dem Schaubild der Fig. 3 hervorgeht. Im Fall der Fig. 2 wird die Entspannung im Punkt F durch Freigabe der Auslaßöffnungen 7 unterbrochen, von denen in diesem Fall angenommen wird, daß sie mit den Spülöffnungen 9 zusammenfallen. Hierbei wird die Trennung der Verbrennungsgase von der Spülluft beispielsweise durch eine schwingbare Klappe 1S bewirkt, deren Bewegung in dem einen oder in dem anderen Sinne mittels einer schwingbaren Achse 16 erzielt wird. Je nach der Stellung, die die Klappe einnimmt, werden die warmen Gase der Leitung 11 und die kalten Gase (die Spülluft) der Leitung 8 zugeführt. Zu dem Zweck öffnet die Klappe 15 die Leitung 11, während des Teils F, E des Hubes, während sie im Punkt E die Leitung 11 abschließt und dafür die Leitung 8 während des Teiles E₃ G, A des Hubes öffnet. Im Punkt A₁ wenn also der Kolben 2^a die Öffnungen 7 abdeckt, beginnt eine neue Verdichtung in dem Zylinder 1.

' Man kann die Klappe 15 auch dazu benutzen, um die Leitung 8 für den Austritt der Spülluft früher oder später abzuschließen und so eine Überspeisung zu bewirken.

Im Falle der verlängerten Entspannung (Fig. 3) werden die Verbrennungsgase vorzugsweise durch Öffnungen 7 ausgelassen, die von den Öffnungen 9 zum Auslaß der Spülluft getrennt sind (s. Fig. 1). In diesem Fall wird die Leitung 8, in welche die Öffnungen 9 münden, im gewünschten Augenblick durch ein gesteuertes Ventil io¹ verschlossen. Der Austritt der heißen Gase beginnt im Punkt E, wenn nämlich der Kolben 2² die Öffnungen 7 freigibt, und setzt sich während des Hubes E, G₁ E fort, wobei das Ventil io¹ geschlossen ist.' Der Austritt der Spülluft geschieht während des Hubteiles E, A, bei dem das Ventil ι o¹ offen ist und die Öffnungen 7 durch den Kolben 2² abgedeckt sind. Im Punkt A deckt der Kolben 2² auch die Öffnungen 9 ab, und die Kompression in dem Motorzylinder 1 beginnt.

In den Fig. 6, 7 und 8 sind einige Ausführungsbeispiele dargestellt, bei denen der Spülstromkreis von der Druckluftleitung, die die anzutreibende Maschine versorgt, abgezweigt ist. In diesem Fall läßt sich die Menge der Spülluft selbsttätig regeln. Hierzu dient beispielsweise ein Schieber 19, der in der Leitung 18 angeordnet ist. Der Schieber wird entweder durch den Druck im Behälter 17 gesteuert (s. Fig. 6), wobei der Druck der Luft im Behälter 17 beispielsweise auf einen Kolben 21 wirkt, oder aber die Temperatur am Eintritt der anzutreibenden Maschine 12 steuert den Schieber (s. Fig. 7). In dem letztgenannten Fall wirkt die Temperatur auf einen Thermostaten 22. Die Reglung der Spülluftmenge nach der Temperatur hat den Vorteil, daß kurze Belastungsspitzen eintreten können, ohne daß die Spülluftmengen eine Änderung erfährt. Dies beruht darauf, daß die Temperatursteigerung der anzutreibenden Maschine nur langsam vor sich geht.

Gemäß einer weiteren, in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform ist statt des Schiebers 19 nur eine einfache kalibrierte Leitung 23 zwischen dem Behälter 17 und einem zweiten Behälter 24 von geringem Fassungsvermögen vorgesehen.

Die in Rede stehende Art und Weise der Abwärmegewinnung nach vorheriger Trennung der Druckgase in zwei Teile ist auch bei solchen Treibgaserzeugern anwendbar, bei

denen der Speisedruck von dem Verdichtungsenddruck abweicht. Eine solche Anläge, die einen mehrstufigen Verdichter umfaßt, ist in der Fig. 9 beispielsweise dargestellt. Bei dieser Anlage wird die Spül- und Speiseluft einem Behälter 17¹ entnommen, dem die in den Zylindern 3¹ und 3² verdichtete Luft der ersten Verdichterstufe zugeleitet wird. Die aus der Brennkraftmaschine austretenden heißen Verbrennungsgase werden in der ersten Stufe 12¹ der anzutreibenden Maschine entspannt und wärmen nach ihrem Austritt aus dieser Stufe die verhältnismäßig kühlen Gase vor, die in, den Zylindern 31¹ und 3 der zweiten Verdichterstufe verdichtet worden sind. Diese Vorwärmung geschieht in dem Wärmeaustauscher 14, und zwar vor der zweiten Stufe 12² der anzutreibenden Maschine, in welcher Stufe sich die vorgewärmten, verhältnismäßig kalten Gase endgültig entspannen.

Wenn die anzutreibende Maschine aus einer' Turbine 12 besteht, kann es geschehen, daß die durch die öffnungen 7 entweichenden und in der Leitung 11 gesammelten heißen Verbrennungsgase eine zu hohe Temperatur haben, die der Haltbarkeit der Turbinenschaufeln abträglich ist. In einem solchen Fall empfiehlt es sich, durch dieselben Schaufein abwechselnd' die heißen Gase aus der Leitung 11 und die kühleren Gase aus der Leitung 8 hindurchströmen zu lassen, so daß diese Schaufeln eine mittlere, ihrer Lebensdauer zuträgliche Temperatur erhalten (siehe Fig. ι und 6).

Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß es sich bei den vorstehenden Ausführungen nur um Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt, auf die diese nicht beschränkt ist. Insbesondere ist die Erfindung auch bei an sich bekannten Flugkolbentreibgaserzeugern anwendbar.

Claims

Patentansprüche:

i. Wärmekraftanlage mit Treibgaserzeuger, insbesondere Flugkolbentreibgaserzeuger, dessen Brennkraftteil seine Nutzarbeit vollständig an die in dem zugehörigen Verdichterteil verdichtete Luft abgibt, durch diese Luft gespeist und gespült wird und ein heißes, aus einer Mischung von verdichteter Luft und Verbrennungsgasen bestehendes Treibgas ausgibt, das einer anzutreibenden Maschine,

z. B. einer Turbine, zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil der im Verdichterteil verdichteten Luft mit den Verbrennungsgasen gemischt wird und der übrige Teil der verdichteten Luft getrennt von den Verbrennungsgasen der Turbine oder einer anderen Maschine zugeführt wird, wobei der letztgenannte Teil der verdichteten Luft vor seinem Eintritt in die Turbine oder die andere Maschine durch das aus der Turbine oder der anderen Maschine austretende Gemisch aus dem anderen Teil der Luft und den Verbrennungsgasen vorgewärmt wird.
2. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkraftzylinder des Treibgaserzeugers mit zwei Reihen (7 und 9) von Austrittsöffnungen versehen ist, von denen die eine zum Austritt der heißen Verbrennungsgase und die andere zum Austritt der vom Verdichter verdichteten Spülluft dient, wobei in "die Leitung (8), welche an die Austrittsöffnungen (9) der Spüllttft angeschlossen ist, ein selbsttätiges oder gesteuertes Verschlußventil (10) eingeschaltet ist, das einen Austritt der heißen Verbrennungsgase dureh die Öffnungen (9) verhindert.
3. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichen Austrittsöffnungen (7) für den Austritt der Verbrennungsgase und der Spülluft dienen und daß zwei voneinander getrennte Leitungen (8, 11) durch ein umschaltbares Steuerventil (15) wechselweise an die Auslaßöffnungen (7) anschließbar sind.
4. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Druckluftbehälter (17), welcher von dem Verdichter des Treibgaserzeugers gespeist wird, einerseits eine Leitung (18) zur Speisung des Brennkraftzylinders mit Spül- und Verbrennungsluft und andererseits eine Leitung (8) angeschlossen ist, 100. welch letztere durch einen Wärmeaustauscher (14) hindurch, in welchen die Verbrennungsgase nach ihrer Entspannung in der anzutreibenden Maschine (12) geleitet werden, zu der genannten Maschine führt.
5. Wärmekraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der dem Brennkraftzylinder zuströmenden Spül- und Verbrennungsluft in Abhängigkeit von dem Druck in dem Druckluftbehälter (17) oder von der Temperatur am Eintritt der anzutreibenden Maschine (12) selbsttätig regelbar ist.
6. Wärmekraftanlage nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß in die Leitung (18), welche von dem Druckluftbehälter (17) zu dem Bfennkräftzylinder (1) führt, ein Ventil oder ein Schieber (19) eingeschaltet ist, das oder der entweder mit einem Kolben (21), auf welchen der Druck im Druckluftbehälter wirkt,

oder mit einem Thermostaten (22) in Verbindung steht.
7. Wärmekraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (6) des Brennkraftzylinders an den Druckluftbehälter (17) über einen kalibrierten Kanal (23) und einen Zwischenbehälter (24) von kleinem Fassungsvermögen angeschlossen sind.
8. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1, bei der der Treibgaserzeuger einen mehrstufigen, beispielsweise zweistufigen Verdichter aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spül- und Verbrennungsluft für den Brennkraftzylinder aus dem Zwischenbehälter (17¹) des Verdichters des Treibgaserzeugers entnommen wird und die aus dem Brennkraftzylinder austretenden heißen Treibgase zum Antrieb einer ersten Stufe (12¹) der anzutreibenden Maschine dienen, während die von der Hochdruckstufe des Verdichters gelieferte Luft nach ihrer Vorwärmung durch die aus der ersten Stufe (12¹) der anzutreibenden Maschine austretenden Gase unmittelbar der zweiten Stufe (12²) der anzutreibenden Maschine zugeleitet wird, um sich dort vollständig zu entspannen.
9. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgewärmten, kühleren Druckgase und die aus dem Brennkraftzylinder des Treibgaserzeugers stammenden heißen Verbrennungsgase auf die gleichen Teile der anzutreibenden Maschine abwechselnd einwirken, so daß diese Maschinenteile auf einer mittleren, für ihre Lebensdauer günstigen Temperatur gehalten werden.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen