-
Verfahren und Vorrichtung zur Ladung von Verpuffungskammern Entsprechend
der bekannten Tatsache, daß in der Energiewirtschaft von Brennkraftmaschinen, bei
denen die Verdichtung der Betriebsmittel außerhalb des eigentlichen Verbrennungsraumes
erfolgt, der zur Durchführung dieser Verdichtung erforderliche Arbeitsaufwand eine
maßgebliche Rolle spielt, hat man bei der Bestimmung der Art der Verdichtung bisher
lediglich darauf geachtet, daß Verdichter mit hohem Wirkungsgrad angewandt wurden,
deren Bauart im übrigen ohne weiteres eine Verwirklichung der erforderlichen Verdichtungsleistung
zuließ. Infolgedessen fanden sich in den auf die Wahl der Verdichter beziehenden
Vorschlägen Hinweise auf die Gleichwertigkeit von Kolbenverdichtern, Kreiselradverdichtern
und Drehkolbenverdichtern vor, ohne daß für die Wahl dieser Verdichtergattungen
andere Gesichtspunkte wie die obenerwähnten geltend gemacht würden. Demgemäß wurden
derartige Verdichter nebeneinander für anwendbar erklärt, während beispielsweise
Kapselverdichter, Flügelrad- und Strahlverdichter für den Fachinann auf Grund der
gleichen Erwägungen ausschieden.
-
Vorliegende Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß die beim
Betriebe von Verpuff ungskammern angewandten Arbeitsverfahren nur dann völlig ausgeführt
werden können, wenn die hierzu erforderlichen Voraussetzungen durch entsprechende
Gestaltung des Verdichtungsvorganges verwirklicht werden. Das Wesentlichste dieser
Arbeitsverfahren besteht darin., daß es durch bestimmte Maßnahmen gelingt, eine
praktisch ebene Trennschicht zwischen den beim Spülvorgang auszuschiebenden Restverbrennungsgasen
von der vorhergehenden Verpuffung her und dem in die Verpuffungskammer neu eintretenden
Betriebsmittel, sei es Verbrennungsluft, sei es Brennstoff, aufrechtzuerhalten,
damit -auf diese Weise die Verbrennungsgase fast ohne Mischung mit der Luft oder
dem Brennstoff aus der Verpuffungskammer so weitgehend entfernt werden können, wie
es mit Rücksicht auf das Gesamtverfahren für zweckmäßig gehalten wird. Auf diese
Weise ist es, möglich geworden, ohne den früher erforderlichen Luftüberschuß zu
arbeiten, der mit den Restverbrennungsgasen zusammen zur Verwirklichung einer ausreichenden
Spülung der Verpuffungskammer aus derselben entlassen werden mußte. Es hat sich-
nun gezeigt, daß es zwar keine Schwierigkeiten bereitet, bei Versuchen mit genauester
Einstellung aller an diesen Vorgängen beteiligten Steuerungsorgane die Trennschicht
an der gewünschten Stelle einzustellen. Ging man jedoch zum Dauerbetrieb über, so
zeigte sich, daß trotz unveränderter Einstellung der Steuerungsorgane die Trennschicht
nicht unverändert in der eingestellten Lage zu erhalten war, sondern daß sie zu
wandern beginnt. Es bedurfte umfangreicher Verseiche, um den Grund dieser Wanderung
feststellen
zu können. Diese Untersuchungen führten schließlich zu dem bereits vorweg-, genommenen
Ergebnis, daß die Art des Ver-', dichtungsvorganges eine maßgebliche Rück=" Wirkung
auf dieLage und dieForm derTreiäfi@. Schicht ausübt. Über diese Rückwirkung läßt,
sich nach Abschluß dieser Untersuchungen im einzelnen folgendes erklären.
-
Ruhige und gleichmäßige Strömungsverhältnisse lassen sich zwar mit
Kreiselradverdichtern erzielen. I)-ie in die Verpuffungskammer einzuführenden Luft-
oder Gasmengen müßten sich also durch zeitlich richtige Öffnung und Schließung der
Steuerungsorgane genau abmessen lassen.. Selbst wenn es aber gelingt, diese Steuerzeitspannen
völlig gleichartig zu erhalten, so ändern sich die in den gleichbleibenden Zeitspannen
einströmenden Luft- oder Gasmengen bereits mit den kleinsten Schwankungen des Eintrittsdruckes,
des Druckes in der Verpuffungskammer oder des Gegendruckes. Dazu kommt der Einfluß
unvermeidlicher Schwingungen in den Luft- und Gassäulen, welche durch das wechselnde
Arbeiten der Steuerungsorgane der Verpuffungskammer hervorgerufen werden. Außerdem
spielen Schwankungen in den Temperaturverhältnissen eine wesentliche Rolle, weil
sich mit den Temperaturen die spezifischen Volumina und damit die Strömungsgeschwindigkeiten
ändern. Sämtliche dieser Einflüsse wirken teilweise' in der gleichen Richtung, teilweise
stören sie sich gegenseitig. Im Endergebnis aber zeigt es sich, daß die Lage der
Trennschicht ohne besonderen Eingriff Schwankungen unterworfen ist, so daß sie stets
auf das Neue überprüft und in der richtigen Weise eingestellt werden muß. Das kann
naturgemäß, wie bereits vorgeschlagen, durch selbsttätig wirksame Einrichtungen
geschehen.
-
Zu erwähnen ist weiter ein Verfahren, bei dem der bei mehrstufigen
Brennkraftturbinen ohnehin notwendige Ausgleichsbehälter zwischen zwei Turbinenstufen
als Verdichter ausgebildet ist, wobei Luft bis auf den Druck der Ladeluft verdichtet,
in einem Speicherbehälter gespeichert und dann wieder zur Ladung der Verpuffungskammer
verwandt werden kann. Die Spülluft wird dabei durch ein besonderes Spülluftgebläse
erzeugt, das durch eine Dampfturbine angetrieben wird. Es werden also bei den bekannten
Verfahren die zu verdichtenden Luftmengen allein durch zeitliche Bemessung von Strömungsvorgängen
abgeteilt, so daß sich die in die Verpuffungskammer eingeladenen Mengen je nach
den herrschenden Druck- und Geschwindigkeitsverhältnissen ändern. Denn breits die
Rufladung der Verdichtungskammer erfolgt durch einen Kreiselradverdichter, so daß
hiermit bereits die oben näher dargelegten Ungenauigkeiten in der Abmessung der
einzuführenden L.,uftmenge verursacht werden. Wird aber b'on die Luftmenge, welche
der Verdich-.,:4hg,skammer zuggeführt wird, nicht genau :''Wid gleichmäßig abgemessen,
so noch weniger -die Luftmenge, die nach der Verdichtung in der Verdichtungskammer
in den Luftvorratsbehälter überführt wird. Eine weitere Ungenauigkeit in der Abmessung
tritt bei der Zuführung der verdichteten Luft aus dem Vorratsbehälter in der Verpuffungskammer
ein. Denn diese Zumessung geschieht dadurch, daß den Ladeluftventilen eine bestimmte
Eröffnungszeit zugeordnet ist. Welche Luftmengen in dieser Eröffnungsspanne indieVerpuffungskammer
eintreten, richtet sich also danach, wie hoch gerade der Druck im Luftvorratsbehälter
und wie hoch gerade der Gegendruck in der Verpuffungskammer ist. Es bildet also
diese sowohl bei der Verdichtungs- als auch bei der Verpuffungskammer vorgesehene
zeitliche Zuteilung wiederum keine Gewähr dafür, daß eine genaue, volumetrische
und praktisch stoßfreie Zumessung verdichteter Betriebsmittel zur Verpuffungskammer
eintritt.
-
Die Schwierigkeit, die der Verpuffungskammer zuzuführenden verdichteten
Betriebsmittel der Menge nach genau zu bestimmen, könnte Andaß geben, die der Verpuffungskammer
zuzuführenden Betriebsmittelmengen durch einen Kolbenverdichter der Verpuffungskammer
mengenmäßig genau zuzumessen. Ein solcher Betrieb wäre ohne weiteres durchführbar,
wenn auf jedes Arbeitsspiel der Verpuffungskammer gerade ein Kolbenhub entfällt.
Eine derartige Anordnung führt aber zu verhältnismäßig großen Abmessungen der Kolbenverdichter.
Sie führt außerdem zum Auftreten störender Schwingungen, da der Kolbenverdichter
mit dauernd schwankender Kolbengeschwindigkeit arbeitet. Weiter ändert sich die
Fördermenge eines Kolbenverdichters mit jeder Änderung des Förderdruckes oder des
Ansaugdruckes, da sich der EinfluB des schädlichen Raumes in anderer Weise auswirkt.
Sämtliche dieser Umstände führen dazu, daß die Verwendung von Kolbenverdichtern
gegenüber derjenigen von Kreiselverdichtern keine Vorteile ergibt. Sobald man die
Drehzahl des Kolbenverdichters gegenüber der Spielzahl der Verpuffungskammer erhöht,
werden die Unregelmäßigkeiten, die das absatzweise Arbeiten des Kolbenverdichters
mit sich bringt, nur noch wesentlich vergrößert und führen dann zu fühlbaren Störungen.
Ein Ausgleich der Unregelmäßigkeiten des Arbeitsvorganges des Kolbenverdichters
durch Druckausgleichsvorrichtungen kann zwar bei genügendem Aufwand an Mitteln zur
Erzielung eines Luft- oder Gasstromes gleichbleibenden
Druckes
führen. Dann aber ergibt sich genau die gleiche Arbeitsweise wie bei Kreiselradverdichtern,
und damit entstehen wieder die für die letzteren bereits. dargelegten Nachteile.
-
Vorliegende Erfindung beruht nun auf der weiteren Erkenntnis, daß
nicht nur der Kolbenverdichter mit hin und her gehendem Kolben, sondern auch der
Drehkolbenverdichter eine die zugeführten Luft- oder Gasmengen mengenmäßig genau
erfassende und abgebende Einrichtung darstellt, die sich jedoch gegenüber dem Kolbenverdichter
dadurch auszeichnet, daß sich die Kammer, in der die Verdichtung vollzogen wind,
bei ihrem gleichförmigen Umlauf stetig und praktisch stoßfrei verkleinert. Man erreicht
also durch Anordnung eines derartigen Drehlolbenverdichters die genaue Zumessung
der der Verpuffungskammer zuzuführenden Mengen an verdichteten Betriebsmitteln,
die dabei stetig und praktisch stoßfrei angeliefert werden, so daß diese Art der
Verdichtung alle Voraussetzungen dafür bietet, daß die Lage und Form der Trennschicht
unverändert aufrechterhalten wird. Demgemäß kennzeichnet sich das erfindungsgemäß
vorgeschlagene Verfahren zur Ladung von Verpuffungskammern, vorzugsweise für Verpuffungsbrennkraftturbinen,
mit Betriebsmitteln dadurch, daß aus dem zu verdichtenden Betriebsmittel gleiche
Raummengen abgeteilt und die abgeteilten Raummengen in betriebsmittelerfüllten,
umlaufenden und praktisch verhältnisgleich zum Umlaufwinkel verkleinerten Kammern
bis zum Ladedruck verdichtet werden, worauf aus den am gleichen Ladevorgang beteiligten
Kammern das verdichtete Betriebsmittel zurVerpuffungska:mmer zu entladen wird.
-
Ein weiterer grundlegender Vorzug des hrehkolbenv erdichters gegenüber
dem Kolbenverdichter mit hin und her gehender Kolbenbewegung besteht in der außerordentlichen
Kleinheit des schädlichen Raumes. Infolgedessen können die dargestellten, nahezu
idealen Zustände, mit denen verdichtete Betriebsmittel durch derartige Drehkolben.verdichter
zur Verpuffungskammer zu entladen werden, über den gesamten Regelbereich, d. h.
bei erheblichen Schwankungen der Druckverhältnisse, aufrechterhalten werden. Um
dabei die richtige Zumessung der Luft- und Gasmengen auch bei Veränderungen der
Arbeitsspielzahl der Verpuff ungskammer zu erreichen, wird in weiterer Durchführung
des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, die Zeitspannen; innerhalb deren in den umlaufenden
Kammern des Drehkolbenverdichters die Verdichtung bewirkt wird, über den gesamten
Regelbereich verhältnisgleich oder nahezu verhältnisgleich mit den Zeitspannen zu
ändern, die zwischen den Eröffnun.gs- und Schlußzeitpunkten der Steuerungsorgane
der Verpuffungskammer liegen. Da diese Steuerungsorgane durchweg durch ein gespanntes
Mittel beeinflußt werden, das seinerseits durch einen umlaufenden Verteiler gesteuert
wird, so bedeutet das, daß die Antriebseinrichtung dieses Verteilers oder die Steuerwelle
überhaupt in irgendeiner Weise mit der Antriebseinrichtung des Drehkolbenverdichters
zu kuppeln ist. Werden beide Einrichtungen elektrisch angetrieben, so ist die elektrische
Kupplung die einfachste.
-
Es war bereits eingangs ausgeführt worden, daß für die Wahl des Verdichters
bisher neben der Rücksicht auf hohe Wirkungsgrade die Erwägung maßgebend war, daß
mit der gewählten Verdichtungsbauart auch ohne Schwierigkeiten die erforderliche
Verdichtungsleistung aufzubringen ist. Nun ist es aber bekannt, daß sich gerade
Drehkolbenverdichter nicht für die Förderung großer Mengen eignen, so daß zur Beseitigung
dieses Nachteiles vorgeschlagen wird, aus zu verdichtendem, in einer oder mehreren
Stufen jedoch bereits vorverdichtetem Betriebsmittel gleiche Raummengen abzuteilen
und die abgeteilten Raummengen in betriebsmittelerfüllten, umlaufenden und praktisch
verhältnisgleich zum Umlaufwinkel verkleinerten Kammern bis zum Ladedruck zu verdichten,
worauf aus den am gleichen Ladevorgang beteiligten Kammern das verdichtete Betriebsmittel
zur Verpuffungskammer zu entladen wird.
-
Die Vorrichtungen zur Durchführung des neuen Verfahrens können in
der beliebigsten Art und Weise ausgestaltet sein. Sie kennzeichnen sich vorzugsweise
durch Anordnung von Drehkalbenverdichtern in der letzten, der Verpuffungsbrennkraftturbine
unmittelbar vorgeschalteten Verdichtungsstufe. Ist ausnahmsweise nur eine einzige
Verdichtungsstufe vorgesehen, so wird diese Verdichtungsstufe von Drehkolbenverdichtern
allein gebildet. In diesem Falle erfolgt die Regelung der Drehkolbenverdichter hinsichtlich
der Gewichtsmenge an Betriebsmittel, mit der die Verpuffungskammer zu laden ist,
am einfachsten und vorteilhaftesten durch Drosselung der Ansaugleitung des Verdichters.
Wie bereits ausgeführt worden ist, ist dabei, unabhängig davon, ob der Drehkolbenverdichter
die einzige oder letzte Verdichtungsstufe bildet, der elektrische Antrieb des Verdichters
zweckmäßig, weil er die Möglichkeit gibt, die Drehzahl des Drehkolbenverdichters
verhältnisgleich oder annähernd verhältnisgleich mit der Arbeitsspielzahl der Verpuffungskammer,
d. h. der Steuerwellendrehzahl oder der Drehzahl des Verteilers, zu ändern, da auch
dieser Verteiler stets elektrisch angetrieben zu werden pflegt.
Die
Zeichnung zeigt beispielsweise eine Ausführung des Erfindungsgedankens, und zwar
gibt Abb. i einen senkrechten Querschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten
Drehkolbenverdichter wieder, der in der in Abb. 2 veranschaulichten Anlage als letzte
Verdichtungsstufe angewandt werden soll. Die Anlage nach Abb. 2 ist dabei für verhältnismäßig
hohe Ladedrücke der Verpuf£ungskammern ausgebildet worden.
-
Der in Abb. i dargestellte Drehkolbenverdichter besitzt in an sich
bekannter Weise einen Drehkörper i, der von der zur Gehäusebohrung exzentrisch gelagerten
Welle 2 in Umlauf versetzt wird. In dem Drehkörper sind Zwischenwände 3 gleitend
geführt, die entweder unter dem Einfluß der Fliehkraft oder besonderer Leitvorrichtungen
derart stehen, daß säe während der Verdichtung gegenüber den die Gehäusebohrung
bildenden Wandungen ein praktisch vernachlässigbar kleines Spiel aufweisen.. Sie
bilden dadurch Kammern, die sich in Umlaufrichtung stetig und praktisch stoßfrei
verkleinern, so daß sie aus dem bei q. eingeführten Betriebsmittel gleiche Raummengen
abteilen und die abgeteilten Raummengen stetig und praktisch stoßfrei bis zum Ladedruck
verdichten, worauf das verdichtete Betriebsmittel über den Auslaß 5 zur Verpuflungskaminer
zu entlassen wird. So hat sich beispielsweise die Verdichtungskammer 6 in der gezeichneten
Stellung des Drehkolbens i bis 3 mit dem zu verdichtenden Betriebsmittel völlig
gefüllt und erreicht in der Lage 7 ihren größten Rauminhalt. Dieser Rauminhalt vermindert
sich aber stetig, wenn die Verdichtungskammer 6 infolge des dem Drehkörper i durch
die Welle 2 erteilten Umlaufes nacheinander in die mit 8 bis 12 bezeichneten Stellungen
vorrückt. In der Stellung 12 ist der Rauminhalt der Verdichtungskammer 6 nahezu
bis auf den gewollten Endwert abgesunken, so daß die Spannung des in dieser Lage
in der Verdichtungskammer eingeschlossenen Betriebsmittels bereits nahezu dem Ladedruck
entspricht. Demgemäß wird das Betriebsmittel in der Stellung 13 mit dem Ladedruck
zur Verpuffungskammer 5 zu entladen, während die Kammer in der Stellung 1¢ wieder
unter Befassung eines außerordentlich kleinen schädlichen Raumes geschlossen wird.
Was für die Kammer 6 ausgeführt worden ist, gilt sinngemäß für alle anderen durch
die Zwischenwände 3 gebildeten Kammern des Drehkolbens, so daß insgesamt eine stetige
Strömung mit einer genauen mengenmäßigen Abteilung des im Drehkolbenver-dichter
zu verdichtenden Betriebsmittels oder mit einer genauen mengenmäßigen Zuteilung
.des verdichteten Betriebsmktels zur Verpuf£un:gskammer zu eintritt, welche in Verbindung
mit der stetig und praktisch stoßweise erfolgenden Verringerung des Rauminhalts
der Verdichtungskammern dazu führt, daß bei dieser Art der Verdichtung im Gegensatz
zur Verdichtung im Kreiselrad-und Kolbenverdichter jegliche Beeinflussung der Lage
und Form der Trennschicht in der Verpuffungskammer vermieden bleibt.
-
Nach Abb. i ausgebildete Drehkolbenverdichter sind in Abb. 2 bei 15
zur Verdichtung des gasförmigen Brennstoffes und bei 16 zur Verdichtung der Verbrennungsluft
unmittelbar vor den nicht besonders veranschaulichten Verpuffungskammern. der Verpuffungsbrennkraftturbine
17 angeordnet. Entsprechend dem Umstand, daß die Verpu f"tungskammern der Verpuffungsbrennkraftturbine
17 mit verhältnismäßig hohem Ladedruck betrieben werden und entsprechend der bekannten
Tatsache, daß sich Drehkolbenverdichter nicht zur Förderung großer Mengen eignen,
erfolgt eine zweifache Vorverdichtung des gasförmigen Brennstoffes in den Kreiselradverdichtern
18 und r9 und der Luft -in den Kreiselradverdichtern 2o, 21. Die Kreiselradverdichter
18 und 2o werden dabei durch eine Dauerstrombrennkraftturbine 22 angetrieben, welche
die stark abgearbeiteten Abgase der Verpuffungsbrennkraftturbine 17 über Leitung
23 aufnimmt und verarbeitet. Die Ausströmgase der Dauerstromturbine 22 treten über
Leitung 2.4 in den Abgaswärmetauscher 25 ein und gelangen bei 26 in die Atmosphäre,
nachdem sie ihre gesamte fühlbare Wärme abgegeben haben. Im Abgaswärmetauscher 25
wird dabei das Speisewasser für den Ausdampfer 27 vorgewärmt. Das im Ausdampfer
27 befindliche Wasser fließt über die Leitungen 28 und 29 durch die -Kühlräume der
Brennkraftturbine 17 und nimmt dabei so viel Wärme auf, daß im Ausdampfer 27 Druckdampf
abgeschieden wird. Dieser Dampf strömt über Leitung 3o der Dampfturbine 31 zu, welche
die Kreiselradverdichter i9 und 21 antreibt.
-
Die gesamte Regelung der Anlage erfolgt möglichst durch Regelung der
Dampfzufuhr zur Dampfturbine 31. Dadurch ändert sich die Drehzahl der Turbine
und damit der Kreiselr.adverdichter i9 und 21. Damit ändert sich in wirtschaftlichster
Weise der Grad der Vorverdichtung der den Drehkolbenverdichtern 15 und 16 vorverdichtet
zuzuführenden Betriebsmittel (Gas und Luft). Mit dem Grad der Vorverdichtung ändert
sich wiederum die Höhe der endgültigen Verdichtung, mit der die' Zuführung der Betriebsmittel
zur Verpuffungsbrennkraftturbine erfolgt, und damit ändern sich wieder Verpuffungsdruck
und Dehnungsverhältnis. Damit ändert sich wiederum die Spannung der Ausströmgase
in der
Leitung 23 und damit der Eintrittsdruck des Betriebsmittels
der Dauerstromturbine 22, womit sich entsprechende Rückwirkungen auf die Drehzahl
der Kreiselradverdichter 18 und 2o ergeben. In wirtschaftlichster Weise wird also
auch die erste Vorverdichtung völlig selbsttätig den obwaltenden Verhältnissen angepaßt.
-
Der bei Teilbelastungen anfallende Überschußdampf kann, sofern keine
unmittelbare Verwertung für denselben besteht, über Leitung 32 dem Stromerzeuger
33 zugeführt und in ihm ausgenutzt werden. Die Verpuffungsbrennkraftturbine selbst
treibt den Stromerzeuger 34 an.
-
Die gleiche Anlage kann in sinngemäßer Abwandlung dann Anwendung finden,
wenn geringe Ladedrücke verwirklicht werden. In diesem Falle vereinfacht sich der
Aufbau der Anlage durch den Fortfall der Kreiselradverdichter 18 und 2o und der
Dauerstromturbin.e 22. Die Ausströmgase der Brennkraftturbineneinheit 17, die außer
der eigentlichen Verpuffungsbrennkraftturbine durchweg eine dieser nachgeschaltete
und mit ihr zu einer baulichen Einheit zusammengefaßte Dauerstromturbine aufweist,
treten unmittelbar aus der Leitung 23 in die Leitung 24 und damit zum Abgaswärmetauscher
über. Die Kreiselradverdichter i9 und 21 saugen in diesem Falle bei atmosphärischem
Druck an.
-
Bei noch geringeren Ladedrücken, oder bei kleineren Fördermengen können
schließlich die Kreiselradverdichteri9,2i und dieDampfturbine 31 wegfallen.
In diesem Falle erfolgt die Verdichtung ausschließlich. durch die Drehkolbenverdichter
15 und 16.