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Brennkraftturbine, insbesondere mit Gleichdruckverbrennung arbeitende
Brennkraftturbine Bekannte Brennkraftturbinen arbeiten entweder stoßweise mit aufeinanderfolgenden
Einzelverbrennungen entsprechend der Kolbenmaschine oder mit Gleichdruckverbrennung.
Das Einzelverbrennungsverfahren mit stoßweisen Kraftimpulsen wird dem Wesen der
Turbine indessen nur recht unvollkommen gerecht. Mit Gleichdruckverbrennung arbeitende
Maschinen aber, die dem entsprechen würden, begegnen der erheblichen Schwierigkeit,
daß ihre Turbinenschaufeln ständig der Feuertemperatur des Verbrennungsraumes ausgesetzt
sind und sich dadurch in kurzer Zeit so stark erwärmen, daß ihre Festigkeitseigenschaften
auf für die eintretenden Fliehkräfte unzulässige Werte verringert sind, falls nicht
eine die Wirtschaftlichkeit der Maschine beträchtlich herabsetzende und zudem bei
der bisher gebräuchlichen Bauart recht umständlich durchzuführende erhebliche Kühlung
zur Anwendung kommt. Trotz ihrer Nachteile macht man daher meist von der Maschine
mit Einzelverbrennungsvorgang Gebrauch, weil hierbei die Erwärmungsfrage nicht diese
ausschlaggebende Rolle spielt, da in diesem Fall die Verbrennung immer nur kurzzeitig
stattfindet, so daß im erforderlichen Umfang stets selbsttätig ein entsprechendes
Abkühlen der Schaufeln wieder eintritt und möglich ist.
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Die vorliegende Erfindung hat die Schaffung einer Brennkraftturbine
zum Ziel, bei der die eben erwähnten Nachteile der bisher bekannten Maschinen weitgehend
beseitigt sind. Sie geht von der Voraussetzung aus, daß die Gleichdruckverbrennung
im wesentlichen beizubehalten ist, daß aber im übrigen die Vorteile des Einzelverbrennungsverfahrens
nutzbar gemacht werden müssen, d. h. die einzelnen Schaufeln des Turbinenrades immer
nur verhältnismäßig kurzzeitig beaufschlagt werden sollen bei Schaffung gleichzeitig
eines möglichst beträchtlichen zur Kühlung zur Verfügung stehenden Körperraumes.
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Es sind Brenikraftturbinen bekannt, deren Laufrad und Gehäusekörper
zur besseren Kühlung mittels eines Durchströmmittels hohl ausgebildet sind, und
andere, bei denen außerdem die beaufschlagten Schaufeln des Laufrades
über
dessen Umfang verteilt mit Abstand aufeinanderfolgen und so, seitlich gegeneinander
versetzt, in zwei- oder mehrfacher Anordnung ihres Tragkörpers nebeneinanderliegend
vorgesehen sind. Diese Maschinen arbeiten aber teils nicht mit Gleichdruckverbrennung,
und zum andern erfordert bei ihnen die Durchfließkühlung die Anordnung eines baulich
unvorteilhaften und trotzdem wirkungsmäßig unbefriedigenden Mehraufwandes.
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Demgegenüber ist in Vermeidung der genannten Nachteile, um bei einfacher
Bauart eine gute, durch die heißen Beaufschlagungsgase Zweitgehend unbeeinträchtigte
Kühlung zu erreichen, bei der neuen Turbine die Anordnung erfindungsgemäß so getroffen,
daß die Schaufeln mittels einer in ihrer öttnungsweitevom Verbrennungsdruck abhängigen
und zwischen Verbrennungskammer und Turbinenläufer angeordneten Durchlaßvorrichtung
jeweils beim Vorbeigehen an einer Düsenöffnung oder mehreren Düsenöffnungen miteinander
wechselnd beaufschlagt werden, während zwischen den Schaufeln Kühlungskanäle vorgesehen
sind, die an den Läuferstirnseiten Fangwangen besitzen und entgegen der Läuferdrehrichtung
knickungsfrei schräg über die Läuferbreite verlaufen. Das in der angegebenen Weise
zwischen den Schaufeln durchströmende Kühlmittel ist so besonders wirkungsvoll und
weitgehend strömungsverlustfrei; ferner läßt die zwischen Verbrennungskammer und
Turbinenläufer vorhandene Durchlaßvorrichtung eine steuerschieberartige Verteilung
der Beaufschlagungsgase auf die gestaffelt vorhandenen Laufradschaufeln erreichen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen des näheren aus dem nachfolgend
an Hand der Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiel hervor. Es zeigt Fig. i
eine mögliche Ausführungsform der neuen Maschine in Grundrißansicht, teils im Schnitt
und teils in Aufsicht des Turbinenrades nach Öffnung des Maschinengehäuses, Fig.2
einen Mittelschnitt durch die Maschine nach der Schnittlinie X-X der Fig. i, Fig.3
einen Mittelschnitt nach der Schnittlinie Y-Y der Fig. i und 2, Fig. q. eine Abwicklung
der Turbinenradoberfläche beispielsweise und Fig. 5 ebenso eine Abwicklung einer
Schaufelanordnung, insbesondere für Maschinen kleiner Leistung.
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In den Figuren stellt i das feststehende äußere Maschinengehäuse dar.
In ihm läuft das die beaufschlagten Schaufeln 2 tragende, sich in Pfeilrichtung
drehende Turbinenrad 3 (Fig.2). q. ist ein die Auspufföffnung bildendes, feststehendes
Kernstück, das einerseits mit seinem Lagerzapfen 5 in der die Arbeitswelle 6 tragenden
Turbinenradstirnfläche 7 und andererseits in der gegenüberliegenden Stirnseite 8
des Gehäuses i lagert und an dieser Seite axial. seine Auspufföffnung g besitzt.
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Die Brennkraft wird erzeugt in der Verbrennungskammer io, der die
den Verbrennungsvorgang unterhaltenden Stoffe, z. B. Gase und Luft, durch die Zuleitungen
i i, wie an sich bekannt, unter Überdruck zugeführt werden, und zwar vorzugsweise
so, daß eine' ständige Verbrennung stattfindet, die einen annähernd gleichbleilDenden
Druck liefert, mit welchem die Turbinenradschaufeln 2 zu beaufschlagen sind. Zwischen
der Verbrennungskammer io und dem Turbinenrad 3 ist ein Steuerkanal 12 vorgesehen.
In ihm sitzen zwei Schieberbolzen 13 (Fig. i), die z. B. selbsttätig durch
eine Federkraft (nicht dargestellt) gegeneinandergedrückt werden, so daß die Verbrennungskammer
zwecks Erzeugung des zur Verbrennung erforderlichen Überdruckes zunächst vollständig
abgeschlossen ist. Unter dem Einfluß der Brennkraft werden die Bolzen
13 in ihren Führungshülsen i q dann von selbst auseinandergedrückt, so daß
sie den durch die fünf Einzeldüsen 15 gebildeten Durchlaß 16 (Fig.2)
freigeben, wodurch die Brennkraft jetzt unmittelbar auf das Turbinenrad und dessen
Schaufeln in eingezeichneter Pfeilrichtung antreibend einwirken kann. Diese Schaufeln
sind nun so angeordnet, daß zwischen den hintereinanderliegenden Schaufelöffnungen
2, wie die Figuren zeigen, immer eiii Abstand verbleibt, der mehr oder weniger groß
sein kann und in der Regel ein Vielfaches der Schaufelöffnungsweite beträgt. Als
Ausgleich hierfür liegen dann mehrere Schaufelkränze nebeneinander, wobei die einzelnen
Schaufelöffnungen mit seitlicher Versetzung gestaffelt sind, und zwar so, daß gleichzeitig
sich mindestens immer eine Schaufel vor einer der Beaufschlagungsdüsen 15
befindet. Durch diese bauliche Anordnung ist erreicht, daß. zwischen den einzelnen
Schaufeln in beiden Richtungen stets ein verhältnismäßig großer Körperraum verbleibt,
der durch Hohlausbildung für die Kühlung nutzbar gemacht werden kann. Bei der vorgesehenen
Verbreiterung des Turbinenrades mit den versetzten Schaufeln ist trotzdem immer
wenigstens eine Schaufel beaufschlagt, so daß die Maschine durchaus gleichförmig
arbeitet.
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Die Staffelung der Schaufelöffnungen 2 kann an sich beliebig sein,
wenn nur dafür Sorge getragen wird, daß ein zur Kühlung ausreichender Zwischenraum
verbleibt.
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Besonders vorteilhaft ist es, im Durchlaß 12 ein Steuerglied, z. B.
in Form eines Steuerschiebers, vorzusehen, der seitwärts hin und her geführt ist
und jeweils nur an derjenigen Stelle einen Durchlaß freigibt, an der sich
gerade
die Schaufelöffnung vor der Beaufschlagungsdüse befindet. Man erhält so eine schiebergesteuerte
Brennkraftturbine, bei der die Schaufelraderwärmung trotz Gleichdruckarbeitsweise
auf ein geringstes Maß zurückgeführt ist. An Stelle eines linear gesteuerten Schiebers
kann z. B. auch eine in ihrer Längsachse umlaufende Steuerwalze verwendet werden,
die einen einzigen mit entsprechender Verwindung verlaufenden Durchlaßschlitz trägt,
aber auch mehrere passend angeordnete Einzelschlitze besitzen kann, die immer nur
gerade die vor der Düse 15 vorbeistreichende Schaufelöffnung bedienen (nicht dargestellt)
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Dieser Steuerschieber, der zweckmäßig zwangsläufig gesteuert ist und
z. B. auch in Doppel= oder Mehrfachausbildung vorgesehen sein kann, wäre ebenso
wie die Schieberbolzen 13 (Fig. i), welche auch im Winkel zueinanderstehend der
Verbrennungskammer i o zugekehrt sein können, bei entsprechend winklig ausgebildeter
Turbinenradoberfläche sowie die Verbrennungskammer io und das Maschinengehäuse i
durch ein Kühlmittel, wie z. B. auch Wasser, zu kühlen, das in vorhandenen Kanälen
17 fließt. Daß der Raum zwischen den einzelnen Schaufeln 2 des Turbinenrades 3 zweckdienlich
hohl und mit Kühlrippen vorgesehen ist, wurde schon oben angedeutet. Man hat es
dann in der Hand, wie in den Fig. q. und 5 dargestellt ist, den Pfeilen 18 entsprechend
ein Kühlmittel, vorzugsweise Luft, durchtreten zu lassen, das durch die seitlichen
Ansätze i 9 ein- und austreten kann. Die Turbinenradbewegung ist durch den seitlichen
Pfeil 2o angedeutet. Das Kühlmittel, das zweckmäßig durch einen besonderen Kühlbehälter
läuft, kann dem Turbinenrad auch durch eine Hohlwelle zugeleitet werden.
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Entsprechend dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel ist die Schaufelradausbildung
so gewählt, daß nur zwei unmittelbar nebeneinanderliegende Schaufelkränze 21 und
22 vorhanden sind, wie es hauptsächlich für Maschinen kleiner Leistung in Betracht
kommt. Hierbei sind die aufeinanderfolgenden Schaufelöffnungen durch je einen Kühlkanal
23 voneinander getrennt.
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Gemäß dem in den Figuren . angegebenen Beispiel ist nur eine einzige
Beschickungsstelle vorgesehen. Es können am Turbinenradumfang verteilt aber auch
mehrere Verbrennungskammern angeordnet sein, die gleichzeitig oder mit Unterbrechungen
arbeiten. Es ist ferner auch möglich, für jeden Schaufelkranz eine besondere Brennkammer
zu verwenden, die jeweils nur im Augenblick des Vorbeigangs einer Schaufelöffnung
arbeitet, wobei die Anordnung im übrigen so gegetroffen ist, daß in jedem Augenblick
immer mindestens eine Schaufel beaufschlagt ist.
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Die Erfindung ist nicht nur bei tangential, sondern auch bei axial
beaufschlagten Maschinen anwendbar, ebenso bei Maschinen mit mehreren zusammenarbeitendenTurbinenrädern.
Die Schaufelausbildung hat natürlich im einzelnen den strömungstechnischen Gesetzen
entsprechend zu erfolgen. Erwähnt sei außerdem, daß durch das Fehlen jeglicher Ventile
sich die neue Maschine gegebenenfalls auch als Kohlenstaubbrennkraftmaschine durchbilden
läßt. .