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Verfahren zum Betrieb von Brennkraftturbinen, deren Kolbenverdichter
aus eigener Kraft läuft Das Hauptpatent bezieht sich auf eine Brennkraftturbine,
die unmittelbar aus den in Sternform angeordneten Verdichterzylindern gespeist wird
und bei der die Welle des Verdichters von der Turbinenwelle völlig unabhängig umläuft,
damit die Leistung der Turbine und ihre Belastbarkeit unabhängig von der Drehzahl
beliebig geändert werden kann. Die Steuerung der überströmöffnungen erfolgt dabei
in solcher Zeitbemessung, daß der aus eigener Kraft laufende Verdichter mit Ansaugung
durch Unterdruck arbeitet. Es hat sich herausgestellt, daß der Wirkungsgrad dieser
Turbine erheblich gesteigert werden kann, wenn die öffnungsdauer der überströmöffnungen
verlängert wird. Um das ohne Herabsetzung des -Saugwirkungsgrades des mit eigener
Kraft laufenden Kolbenverdichters zu erreichen, wird die Turbine erfindungsgemäß
so betrieben, daß einige der Verdichterzylinder ausschließlich Verdichtungsarbeit
leisten, während der andere oder die anderen Zylinder mit ihren Kolben zugleich
auch Antriebsarbeit zum Antriebe des Verdichters leisten. Die Ausführung dieses
Verfahrens wird dadurch ermöglicht, daß einige Zylinder des Brennkraftverdichters
in an sich bekannter Weise eine von ihren Zylinderräumen getrennt gehaltene ventilgesteuerte
Brennkammer erhalten, während der andere oder die übrigen Zylinder nach ihren Brennkammern
hin offen sind.
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Es ist zwar bekannt, bei Brennkraftturbinen den Verdichterzylindern
eine ventilgesteuerte Brennkammer vorzuschalten, in die das verdichtete Gemisch
übergeschoben wird. Bei den bekannten Anordnungen dieser Art hat man jedoch den
Antrieb des Verdichters von der Welle des Turbinenrades abgeleitet. Demgegenüber
zeichnet sich die Anordnung gemäß der Erfindung dadurch aus, daß sie den Antrieb
des Verdichters von der Turbinenwelle unabhängig macht. Der Verdichter kann daher
auch mit einer von der Drehzahl der Turbine unabhängigen Umlaufgeschwindigkeit betrieben
werden, so daß es möglich ist, ohne Zuhilfenahme von Vorverdichtern seine Leistung
der jeweiligen Turbinenlast anzupassen und den Drehzahlbereich der Turbine bei unterschiedlichen
Belastungen beliebig zu ändern.
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Gegenüber der im Hauptpatent beschriebenen Turbine wird durch die
vorliegende Erfindung der Vorteil erzielt, daß die Antriebsleistung für den Betrieb
des Verdichters seinem tatsächlichen Energiebedarf eng angepaßt wird, so daß fast
die gesamte in den Druckgasen enthaltene Energie ohne Verlust dem Antriebe der Turbine
zugute kommt, da die Antriebsleistung für den Betrieb des Verdichters
verhältnismäßig
gering ist. Versuche haben ergeben, daß es beispielsweise ausreicht, wenn von sechs
Verdichterzylindern ein Zylinder als Brennkraftmaschine im Zwei-oder Viertakt arbeitet.
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Die vorliegende Erfindung hat den weiteren Vorteil, daß sie den Betrieb
der Brennkraftturbine verbilligt, denn sie gestattet es, einen Teil der Verdichterzylinder
mit Kohlenstaub zu betreiben. Der Betrieb von Brennkraftturbinen mit Kohlenstaub
ist zwar an sich bekannt. Für die vorliegende Erfindung ist jedoch ein gemischter
Betrieb insofern vorgesehen, als die nur Verdichterarbeit leistenden Zylinder mit
Kohlenstaub, der andere oder die anderen mit den Brennkammern in offener Verbindung
stehenden Zylinder dagegen mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen beliefert
werden. In den lediglich Verdichtungsarbeit leistenden Zylindern kommt nämlich durch
die Trennung der Verdichtungsräume von den Zylindern der Kohlenstaub bei der Verbrennung
nicht mit den Kolben und den Zylinderwandungen in Berührung, so daß also die beim
Betrieb mit Kohlenstaub sonst auftretenden Ablagerungen an den Zylinderwandungen,
die einen schnellen Verschleiß der Laufflächen zur Folge haben, vermieden werden.
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Die Zeichnungen zeigen als Beispiel für die Ausführung der Erfindung
in Abb. i einen Schnitt durch eine Brennkraftturbine, in Abb. 2 eine Ansicht von
der Verdichterseite her.
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In dem Turbinengehäuse i ist in Lagern 2. 3 der Gehäusewandungen die
Turbinenwelle gelagert, auf der das Turbinenrad 5 befestigt ist, welches die Turbinenschaufeln
6 trägt. Die Turbinenschaufeln 6 liegen unmittelbar vor den Austrittsöffnungen der
Leitdüsen 7, die an dem Gehäuse 8 des Verdichters angebracht sind. Die Leitdüsen
7 ragen durch die Wand 9 des Turbinengehäuses in den Innenraum der Turbine, während
das Lager 3 der Turbinenwelle 4. in den Innenraum des V erdichtergehäuses hineinragt.
Die Welle io des Verdichters ist von der Turbinenwelle getrennt und in dem Gehäuse
des Verdichters gelagert.
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Der Verdichter enthält sechs Zylinder i i, 12, 13, 14, 15 und 16,
die sternförmig angeordnet sind (Abb.2). Von diesen Zylindern sind in Abb. i nur
die Zylinder 13 und 16 sichtbar, in denen sich die Kolben 17 und 18 bewegen. Die
Kurbelstangen I g, 20, 21, 22, 23 und 24 (Abb. 2), von denen in Abb. i nur die Kurbelstangen
21 und 24 sichtbar sind, greifen sämtlich an einem für alle gemeinsamen Kurbelzapfen
25 der Welle io des Verdichters an. Der nach außen ragende Schaft 26 dieser Welle
ist hohl ausgebildet und dient zur Ansaugung der Luft oder des Brenngemisches. Zur
Überleitung der Luft oder des Gemisches in die Zylinder des Verdichters besitzen
die Kolben in ihren Böden je ein Rückschlagventil27, wie es in Abb. i für den oben
befindlichen Kolben 17 dargestellt ist. Beim Abwärtsgange der Kolben öffnen sich
infolge des in den Zylindern enthaltenen Unterdruckes diese Rückschlagventile, so
daß das Gemisch eingesaugt werden kann: Für die Zylinder i 1, 12, 13, 14 und 15
sind nun .die Verdichtungsräume 28 von den' zugehörigen Zylinderräumen durch eine
Wand 29 getrennt, in der sich ein weiteres Rückschlagventil3o befindet. Der in Abb.
i unten befindliche Zylinder 16 steht dagegen in offener Verbindung mit dem ihm
vorgelagerten Verdichtungsraum 3i. Die Verdichtungsräume enthalten je eine Zündkerze
32 und je ein Kühlwassereinspritzventil33, welche unmittelbar über den Gasauslaß-
oder Düsenventilen 34 angeordnet 'sind. Die Verdichtungsräume erstrecken sich bis
an die Wandung des Turbinengehäuses i, so daß die Leitdüsen 7 verhältnismäßig kurz
sind. Die Auslaßventille 34 werden von Nocken 35 gesteuert, welche auf einem Ende
der Verdichterwelle i o sitzen, während am anderen Ende dieser Welle Nocken 36 angeordnet
sind, die die Kühlwasserpumpen 37 steuern, von denen das Kühlwasser durch Rohrleitungen
38 in die Einspritzventile 33 gelangt.
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Die Verdichtergruppe .ist nun so eingerichtet, daß die Kolben der
Zylinder i 1, 12, 13, 14, 15 reine Verdichtungsarbeit leisten, während der Kolben
18 des Zylinders 16 auch die Antriebsarbeit für den Antrieb des Verdichters übernimmt.
Die Pleuelstange 24 des Kolbens 18 ist daher stärker ausgeführt als die übrigen
Pleuelstangen. Der Kolben 18 kann nach Bedarf im Zweitakt oder Viertakt arbeiten
und entweder mit dem gleichen oder mit einem anderen Brenngemisch betrieben werden
als die übrigen Kolben der Verdichtergruppe. Auch die Art der Einführung des Brenngemisches
in den Zylinder dieses Kolbens ist demgemäß beliebig. Sie kann z. B. mittels eines
Wandschlitzes 39 erfolgen.
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Bei dem Abwärtsgange der übrigen Kolben werden zunächst die Rückschlagventile
3o geschlossen, die Rücksehlagventile 2; in den Kolbenböden dagegen geöffnet, so
daß die Brennkammern 28 von den zugehörigen Zy-
linderräumen getrennt werden
und infolge des in den Zylindern entstehenden Unterdruckes Luft- oder Brenngemisch
durch den hohlen Teil 26 der Weile io und durch das Kurbelgehäuse hindurch in die
Zylinder eingesaugt wird. Beim Aufwärtsgange dieser Kolben
wird
dann das Rückschlagventi127 geschlossen, das Rückschlagventil3o dagegen geöffnet,
so daß das Gemisch in die zugehörige Brennkammer 28 übergeschoben wird. Nach erfolgter
Zündung tritt nun in den Verdichtungsräumen eine starke Druckerhöhung ein, durch
welche das Rückschlagventil3o geschlossen wird, so daß sich das in den Verdichtungsraum
eingeschlossene Gasgemisch nach Öffnung der Ventile 34. ausschließlich nach der
Turbine entspannen kann. Unabhängig von der Öffnungsdauer der Ventile 2q., die je
nach Düsenquerschnitt fast so lange geöffnet bleiben können, bis der zugehörige
Kolben in die untere Totpunktstellung gelangt, beginnt in den Zylindern i i, 12,
13, 14 und 15 der volle Saugabschnitt schon unmittelbar nach Hubwechsel der zugehörigen
Kolben im oberen Totpunkt.
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Die Verdichter oder Pumpen arbeiten vorzugsweise im Zweitakt. Die
Leistung für den Antriebszylinder 16 ist so gewählt, daß die Kurbelwelle i o nur
die für den Antrieb der Verdichter oder Pumpen erforderliche Leistung abgibt. Naturgemäß
ist das Verhältnis zwischen Antriebszylündern und Verdichterzylindern beliebig veränderbar.
Bei größerer Anzahl von Verdichtern können auch mehrere Zylinder mit ihrem Kolben
als Antriebszylinder benutzt werden. Die Auspuffgase dieser Antriebszylinder werden
in der Turbine mit ausgenutzt.