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Verfahren und Anordnung zur Kühlung von Verpuffungsbrennkraftmaschinen
Verfahren zur Kühlung von Verpuffungsbrennkraftm.aschinen,_ bei denen die wärmeaufnehmende,
im Kreislauf durch einen gemeinsamen Sammelraum geführte Kühlflüssigkeit Maschinenteile
besonders ungleichartigen Wärmezustandes über außerhalb des Sammelraumes getrennt
ausgebildete Umwälzkreisläufe kühlt sind bereits im Zusammenhang mit der Lösung
der Aufgabe vorgeschlagen worden, das Verhältnis anzuliefernder Dampf- und Heißflüssigkeitsmengen
sowie deren Zustand innerhalb weiter Grenzen zu verändern und zu regeln. Derartige
Verfahren haben es auch bereits mit sich gebracht, daß infolge einer ungleichartigen
Verdampfung in den Kühlräumen, die über die außerhalb des Sammelraumes getrennt
ausgebildeten Umwälzkreisläufe gekühlt wurden, und durch die sich demgemäß einstellenden
verschiedenartigen Thermosyphonwirkungen auch bereits verschiedene Umwälzdrücke
in den einzelnen Kühlkreisläufen entstehen mußten, wobei man jedoch vorhandene Regeleinrichtungen
benutzte, um diese verschiedenartigen Einflüsse auszugleichen, da es auf ihre Ausnutzung
bei den bekannten Einrichtungen nicht entscheidend ankam.
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Vorliegende Erfindung beruht demgegenüber auf der Erkenntnis, daß
die bei bestimmten - Verpuffungsbrennkraftmaschinen, insbesondere Verpuffungsbrennkraftturbinen,
auftretenden Wärmeübergänge zur Stellung neuartiger Aufgaben führen, die mit bekannten
Mitteln nicht, zum mindesten nicht auf wirtschaftliche Weise lösbar sind. Insbesondere
treffen bei Verpuffungsbrennl,-raftturbinen hohe, teilweise über der Schallgeschwindigkeit
liegende Gasgeschwindigkeiten - mit hohen Temperaturen dieser Gase einerseits, mit
vor Wärmeabstrahlung und -ableitung geschützten, engen und verzwickelten Kühlräumen
andererseits zusammen, so daß die sich hier einstellenden Wärmeübergänge nur durch
Anwendung von Kühlmitteln beherrscht werden können, zu deren Umwälzung eine hohe
Druckreserve zur Verfügung steht. Daneben treten Kühlräume von sehr großer Ausdehnung
auf, in denen geringe Wärmeübergänge herrschen, da es sich hier um die Kühlung von
Teilen: der Verpuffungsbrennkraftturbine handelt., die, wie die Verpuffungskammern
selbst und die Turbinengehäuse, mit verhältnismäßig geringer Gasgeschwindigkeit
durchströmt werden. Zur Kühlung dieser Kühlräume reichen Kühlmittel aus, die mit
üblichen Mitteln umgewälzt werden, während andererseits die umzuwälzenden Kühlmittelmengen
sehr groß sind.
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Das an sich bei dieser Sachlage naheliegende Lösungsmittel einer Vergrößerung
der Kühlflächen derjenigen Teile, die hohen Gasgeschwindigkeiten ausgesetzt sind,
ist deshalb nicht zu benutzen, da eine Vergrößerung der Kühlflächen über das bereits
verwendete
Maß auch eine Vergrößerung der die Wärme aufnehmenden
Flächen mit sich bringen, also das Verhältnis von Wärmezufuhr zu -abfuhr nicht ändern
würde. Es würden sich außer <lern in diesem Fall entweder thermodyt@tmische oder
turbinentechnische Schwiei keiten ergeben.
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Es besteht die weitere -Möglichkeit, das gesamte Kühlmittel auf den
höchsten Umwälzdruck zu bringen und vor den einzelnen Kühlräumen auf den Umwälzdruck
zu entspannen, der die sichere Kühlung dieser Räume verbürgt. Aber dieser Weg scheidet
infolge der" großen Kühlmittelmengen, die teilweise benötigt werden, und infolge
der hohen Druckunterschiede wegen seiner Unwirtschaftlichkeit aus.
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Die sich damit ergebende Aufgabe, einerseits die Kühlung in den verschiedenen
Kühlräumen sicher zu beherrschen, andererseits das Verfahren wirtschaftlich zu gestalten,
wird, ausgehend von dem bekannten Verfahren, bei dem die wärmeaufnehmende, im Kreislauf
durch einen gemeinsamen Sammelraum geführte Kühlflüssigkeit Maschinenteile besonders
ungleichartigen Wärmezustandes über außerhalb des Saminelraunies getrennt ausgebildete
Umwälzkreisläufe kühlt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Umwälzdrücke für
das in den Kühlräumen nur teilweise verdampfende, in den Sammelraum zusammen mit
diesem Dampfanteil als Flüssigkeit-Dampf-Gemisch zurückgeführte Kühlmittel für jeden
Kreislauf durch Pumpen oder Pumpenabschnitte gesondert erzeugt werden. Denn Pumpen
haben im Gegensatz zu der selbsttätigen. Thermosyphonwirkung die Eigenschaft, eine
Umwälzung des Kühlmittels sicherzustellen. Insbesondere arbeiten Kreiselpumlien
üblicherweise bei normaler Fördermenge auf dein absteigenden Ast ihrer Druckmengencharakteristik.
Das bedeutet, daß der Förderdruck der Pumpe mit abnehmender Fördermenge merklich
ansteigt. Treten also Widerstände in einem Umwälz-'kreislauf auf und kann das Kühlmittel
nicht einen Umweg über andere Kreisläufe finden, so muß naturgemäß die Durchflußmenge
und damit die Fördermenge der für diesen Kreislauf allein vorgesehenen Pumpe abnehmen.
Es steigt dann gemäß der Charakteristik der Pumpe der Förderdruck, so daß ein stärkerer
Durchfluß erzwungen wird; dadurch wird verhindert, daß die Kühlmittelmenge in schädlicher
Weise abnimmt, wie sie bei Ursächlichkeit allein der Thermosyphonwirkung abnehmen
würde. Bei positiv arbeitenden Pumpen wie Kolben- oder Zahnradpumpen tritt dieser
Vorteil noch stärker in Erscheinung, indem diese Pumpen den Durchfluß einer gegebenen,
vorbestimmten Kühlflüssigkeitsmenge gegen jeden Widerstand erzwingen. Im Gegensatz
zu einer naheliegenden Annahme ist auch die Wirtschaftlichkeit eines erartigen Verfahrens
gegeben, weil der Leiungsaufivand, der für die mit abgestimmten örderdrücken arbeitenden
Pumpen aufzuwenden ist, so geringfügig ist, daß er die Kosten des erhöhten Pumpenaufwandes
bei weitem ausgleicht, wenn man die erheblichen Energieverluste in Vergleich zieht,
die bei Anwendung einer einzigen Pumpe mit höchstem Förderdruck und Herunberdrosselung
auf die benötigten Kühlraumdrücke entstehen würden.
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Nun treten bei fast jeder Brennkraftmaschine neben Brennkraftmaschinenteilen
mit ungleichartigen Kühlwärmezuständen auch solche auf, deren Kühlwärmezustände
als gleichartig anzusehen sind. So ordnet man bei Kolbenbrennkraftmaschinen mehrere
Zylinder, bei Brennkraftturbinen mehrere Brennkammern nebst zugehörigen Teilen nebeneinander
an. Die Zuordnung je eines besonderen Kreislaufes zu jedem dieser gleichartigen
Brennkraftmaschinenteile würde jedoch zu einer verwickelten und kostspieligen Bauart
führen. Es entspricht daher der folgerichtigen Durchführung des Erfindungsgedankens,
daß das wärmeaufnehmende Mittel Kühlmittelteilen mit gleichartigem Kühlmittelwärmezustand
über den einen dieser Gattung von Teilen zugeordneten Umwälzkreislauf unter paralleler
Durchströmung ihrer Kühlräume zugeführt wird. Die Möglichkeit, daß sich einer dieser
gleichartigen Teile stärker erhitzt als die anderen gleichartigen Teile, ist so
gering, daß Störungen der Kühlwirkung nicht zu befürchten - sind.
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Die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Anordnungen kennzeichnen
sich vorzugsweise durch mehrere voneinander unabhängige Kühlkreisläufe, die jeweils
je einem der nach dem Kühlwärmezustand ungleichartigen Teile der Brennkraftmaschine
bzw. einer Gattung derselben, wie Verbrennungskammern Gehäusen, Trennwänden, Verbindungskanälen
usw., Wärme entziehen, wobei zur Herbeiführung der Unabhängigkeit mit den zugeordneten
Kühlräumen getrennt verbundene Kühlpumpen bzw. -Kühlpumpenabschnitte vorgesehen
sind.
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Die Zeichnung zeigt eine beipielsweise Ausführung des Erfindungsgedankens
am Längsschnitt durch eine zweikammerige Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage.
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Es bezeichnet i eine im Längsschnitt wiedergegebene Verpuffungskammer,
hinter der, in der Zeichnung nicht erkennbar, weil durch die im Schnitt gezeichnete
Verpuffungskammer verdeckt, eine zweite Verpuffungskammer liegt, die auf dasselbe
Rad wirkt und in
genau der gleichen Weise ausgebildet ist wie die
im Schnitt gezeichnete Verpuffungskammer. Jede Verpuffungskaminer weist dabei in
an sich bekannter Weise ein Spülluftventil 2, Brennstoffeinlaßventil3, Nachladeventil4,
Zündkerzen 5, Düsenventil 6 und Auslaßventil7 auf.
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Das Arbeitsverfahren einer derartigen Verpuffungskammer wickelt sich
bekanntlich so ab, daß die Kammer i über Nachladeventil 4 mit Luft und über Brennstoffventil
3 mit Brennstoff aufgeladen wird. Nach erfolgter Aufladung wird unter Abschluß sämtlicher
Ventile der Verpuffungskammer das in ihr gebildete zündfähige Gemisch mittels der
Zündkerzen 5 entzündet. Nach beendeter Verpuffung strömen die unter hohem Druck
stehenden, heißen Verbrennungsgase über das nunmehr geöffnete Düsenventil 6 den
Düsen 8 zu, welche die Schaufeln 9 des Rades io beaufschlagen. Die aus der Beschaufelung
9 des Rades io austretenden heißen Feuergase durchströmen die in der Zwischenwand
i i angeordneten' Düsen 12 und beaufschlagen die Schaufeln 13 des Rades 14, um durch
die Ausströmöffnung 15- des Radgehäuses 16 die Turbine zu verlassen. Nach beendeter
Expansion schließt sich das Düsenventil 6, und es öffnet sich das Auslaßventil7.
Das Auslaßventil verbindet die Verpuffungskammer i mit einer nicht gezeichneten
Düsengruppe, welche unmittelbar-die Schaufeln 13 des Rades 14.beaufschlagt. Gleichzeitig
mit dem Auslaßventil 7 öffnet sich das Spüllufteinlaßventil 2, so daß die in die
Verpuffungskammer eintretende Spülluft 'den Rest der heißen Verbrennungsgase über
das Auslaßventil7 und die Schaufeln 13 des Rades 14 austreibt. Nach beendeter Ausspülung
der Verpuffungskammer i beginnt das Arbeitsspiel von neuem.
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Bei der Kühlung der so beschriebenen Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage
ist von dem Umwälzv erfahren ausgegangen worden, bei dem in einem Verdampfungskessel
17 enthaltenes Wasser über eine Leitung 18 Umwälzpumpen zufließt, welche es den
Kühlräumen der zu kühlenden Maschinenteile zudrücken, wo es teilweise verdampft
wird. Es strömt dann über eine gemeinsame Leitung ig dem Verdampfungskessel 17 wieder
zu.
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Nach den vorliegender Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnissen weist
die so beschriebene Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage eine Reihe von Teilen mit
ungleichartigen Kühlwärmezuständen auf, so daß diese Teile in bezug auf den Umwälzkreislauf
17, 18, 19 weder hintereinander noch parallel geschaltet werden dürfen. Als derartige
Teile kommen insbesondere die Verpuffungskammer i mit den Kühlräumen 20, 21, 22,
die Zwischenwand t i mit dem Kühlraum 23 und das Turbinengehäuse 16 mit den Kühlräumen
24 in Betracht. Unter Beseitigung der sich für die reine Hintereinander- bzw. reine
Parallelschaltung dieser Kühlräume im Umwälzkreislauf 17, 18, ig ergebenden Nachteile
wird die Kühlung der Kühlräume 2o-24 erfindungsgemäß in folgender Weise vorgenommen.
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Das wärmeaufnehmende Mittel wird den Brennkraftmaschinenteilen i,
ii und 16 über mehrere voneinander unabhängige tm«,älzkreisläufe zugeführt, wobei
jedem der Brennkraftmaschinenteile i, i i und 16 je einer dieser Umwälzkreisläufe
zugeordnet ist. Im ersten UmWälzkreislauf liegen die Kühlräume 20, 21, 22 der Verpuffungskammer,
denen das wärmeaufnehmende Mittel von der Pumpe 25 aus,. die vom Elektromotor 26
angetrieben wird, über den Stutzen 27 zugeführt wird. Die Pumpe 25 entnimmt dabei
das durch sie zu fördernde Kühlwasser aus der Leitung 18. Das bei 28 aus dem Kammerkopf
austretende Kühlmittel wird der Sammelleitung ig über Stutzen 29 zugeführt. Im zweiten
Umwälzkreislauf liegen die Kühlräume 23 der Zwischenwand i i einschließlich der
Umkehrschaufeln, denen das wärmeaufnehmende Mittel ,von der Pumpe 3o aus über Stutzen
31 zugeführt wird. Ein Elektromotor 4i treibt die Pumpe 3o an. Das zu fördernde
Kühlmittel entnimmt die Pumpe 3o wieder der' Leitung i8, während das aufgeheizte
Kühlmittel über Stutzen 32 der Sammelleitung i9 zugeführt wird. Im dritten Umwälzkreislauf
liegen die Kühlräume 24 des Gehäuses 16. In diesem dritten Kreislauf drückt die
Pumpe 33, welche vom Elektromotor 34 aus angetrieben wird, das Kühlwasser über Stutzen
35 den Kühlräumen 24. zu. Das aufgeheizte Kühlmittel wird über Stutzen 36 abgezogen
und in die Sammelleitung ig eingeführt. Es kühlen also die drei voneinander unabhängigen.
Umwälzkreisläufe 18, 2-5, 27, 20, 21, 22, 28, 29, 19, 17, i8 bzw. 18, 30-, 31, 23,
32, 19, 17, 18 bzw. 18, 33, 35, 24, 36, ig, 17, 18 je eine besondere Gattung von
Teilen der Brennkraftmaschine, die sich durch ungleichartige Kühlwärmezustände kennzeichnen.
Lediglich in der Verpuffungskammer i sind die einzelnen Kühlräume 20, 21 und 22
hintereinander geschaltet. Diese Teile liegen aber durch ihre- bauliche Anordnung
von vornherein übereinander, so daß bei diesen Teilen nicht die Gefahr der Dampfnesterbildung
auftreten kann. Außerdem können die Kühlräume und l;Jberströmleitungen 37, 38- mit
Rücksicht auf andere Erfordernisse ohne Beschränkung durch die baulichen Verhältnisse
so bemessen werden, daß der zunehmenden Wärmeaufnahme Rechnung getragen
ist.
Dagegen erkennt man, daß die Austrittsöffnung des Kühlmittels aus dem Kammerkopf
höher liegt als die Eintrittsöffnungen 39 und d.o für den zweiten und dritten Kreislauf,
so daß eine Rückführung des Wasserdampfgemisches in senkrechter Richtung nach unten
erforderlich gewesen wäre, wenn diese Kühlräume hätten hintereinandergeschaltet
werden sollen. Es hätte also ohne weiteres die Möglichkeit zur Bildung von Dampfnestern
bestanden. Zur Erreichung eines positiven Durchflusses durch die einzelnen Kreisläufe
ist dabei jedem Kreislauf eine besondere Umwälzpumpe 25, 41 und 33 zugeordnet worden.
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Die Pumpe 25 kühlt, wie bereits erwähnt, die beiden gleichartig ausgebildeten
Verpuffungskammern i, dä die Kühlwärmezustände beider Verpuffungskammern, von nicht
in Betracht zu ziehenden Störungen abgesehen, ebenfalls gleichartig sind, so daß
die für die Parallelschaltung der Kühlräume bei Brennkraftmaschinenteilen mit ungleichartigen
Kühlwärmezuständen dargelegten Gefahren nicht auftreten können.
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Der Kühlwärmezustand der Zwischenwand i i bedarf einer besonderen
Beachtung, weil die Zwischenwand i i einschließlich der Umkehrschaufeln auf allen
Seiten von schnellströmenden, sehr heißen Gasen umgeben ist, so .daß ihre Wärmebeanspruchungen
äußerst hoch sind. Aus diesem Grunde arbeitet der Umwälzkreislauf 18, 30, 31, 2-3,132,
I9, I7, I8 zweckmäßig mit einem Umwälzdruc'k, der gegenüber dem durch die Pumpen
25, 33 erzeugten Umwälzdruck erhöht ist.
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Es liegt im Wesen der Erfindung, daß sie sich nicht auf die gezeigte
Ausführungsform beschränkt. Es können mannigfache Abwandlungen der gezeigten Anordnung
vorgesehen werden, ohne daß der Erfindungsgedanke verlassen wird.