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Gasturbine Die Erfindung bezweckt die Verbesserung und weitere Ausgestaltung
der im Patent 695 i8o geschützten Erfindung, die sich auf eine Gasturbine mit Brennkammern
und durch Schieber absperrbaren Düsenhals bezieht. Das Hauptpatent erstrebt <vor
allem die Beseitigung der bei derartigen Gasturbinen auftretenden erheblichen Strömungsverluste
und will eine völlig unbehinderte Ausströmung der Gase aus der Brennkammer erreichen,
um damit eine große Verlustquelle zu beseitigen. Zu diesem Zweck ist die Brennkammer
birnenförmig ausgebildet und besitzt in ihrem kugeligen Teil ein Einlaßv entil,
`nährend sie gegenüber dem Einlaßventil in einen Düsenkanal mit rechteckigem Querschnitt
übergeht, der mit Absperrschiebern zusammenarbeitet, die lediglich den rechteckigen
Kanalquerschnitt ausfüllen oder freigeben. Die Steuerung der Absperrschieber geschieht
hierbei durch einen z. B. vom Verbrennungsdruck angetriebenen Steuerkolben, der
vorzugsweise im Einlaßkopf der Brennkammer gelagert ist, wobei er in dem zylinderförmig
durchbohrten Schaft des Einlaßventils geführt ist. Diese Anordnung soll erreichen,
daß die Gase aus der Brennkammer strömungstechnisch einwandfrei in den Düsenkanal
übergehen können.
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Es hat sich nun gezeigt, daß das in die Brennkammer eingeführte Gemisch
aus Brennstoff und Luft nach Öffnung des Einlaßventils trichterförmig an der inneren
Brennkarnmerwandung entlang strömt und die Brennkammer anfüllt, wobei es aber bei
schneller Zündfolge vorkommt, daß das verbrannte Gas nicht vollständig durch die
Düse entweicht, sondern sich teilweise mit dem zuströmenden frischen Gemisch verwirbelt.
Dadurch wird die innere Kühlung der Brennkammer und der Wirkungsgrad der Einrichtung
herabgesetzt. ,
Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf @itie Gasturbine
mit einer Brennkammer, die in ihrem kugeligen Teil ein Einlaßventil enthält und
deren Wandung in dem nach der gegenüberliegenden :Iustrittsöffnung verjüngten Teil
der Kammer nach der Mittelachse hin nach innen gewölbt ist und in einen rechteckigen
Kanalquerschnitt übergeht.
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Die Erfindung selbst besteht im wesentlichen darin, daß der Ventilschaft
des Einla1.3ventils in einem finit schraubenförmig gewundenen Nuten versehenen Führungskörper
gelagert ist, dessen Nuten einen Verbindungskanal zwischen der Einlaßleitung und
dein Ventildurchgang bilden. Hierbei «-ard die durch die scliraulienföi-migen Nuten
in spiralförmige Drehbewegungen versetzte eintretende Luft oder das Brennstoff-Luft-Geinisch
durch einen zwischen dein Ventiltellerrand und der gegenüberliegenden l,reniil:aininerwandung
sich erweiternden Kanalquerschnitt finit nach der l3rennkaminerinittelachse hin
gekrümmter Bahn nach innen abgelenkt.
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Bei dieser Ausbildung des Einlaßkopfes der Brennkammer strömt das
Gemisch nach Abhebung des Einlaßcentils von seinem Sitz infolge der schraubenförmigen
Führung in drehender Bewegung mit starkem Drall und großer Geschwindigkeit in die
Brennkammer ein, wobei es aber durch die kurvenförmige Bahn des sich allmählich
erweiternden Einströmungsduerschnittes gleichzeitig nach innen abgelenkt und auf
diese Weise derart geleitet wird, daß es wie eine sich drehende und in Längsrichtung
der Brennkammer vorwärts bewegende Wand das alte, in der Brennkammer noch vorhandene
verbrannte Gas vor sich herschiebt und durch die Düse heraustreibt. Gleichzeitig
wird auf diese Weise eine außerordentlich gute Durchwirbelung des Brennstoff-Luft-Gemisches
beim Eintritt in die Brennkammer erreicht.
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Bei mit gasförmigen Brennstoffen beschickten Verpuffungskammern ist
es bekannt, die Ventile zum Einlaß des Brenn-"ases und der zusätzlichen Brennluft
seitlich der eigentlichen Brennkammer anzuordnen. ,\-oliei zur Einführung dieses
Gemisches lediglich tangential gerichtete Schlitze dienere die das von der Seite
kommende Ge-:nisch in eine Drehbewegung versetzen. Bei dieser bekannten Einrichtung
wird aber die Drehbewegung erst erzielt, nachdem die Luft oder das Gemisch bereits
die Ventile passiert hat. Im Gegensatz dazu ist es bei der vorliegenden Anordnung
mit birnenförmiger Brennkammer und im kugeligen Teil der Brennkammer angeordneten
Einlaßventil wesentlich, daß eine spiralförmige Führung der eintretenden Luft oder
des eintretenden Gemisches bereits vor dem Durchgang durch dieses Einlaßventil Hervorgerufen
wird. su daß die Luft oder das Gemisch schon in kreisendein Zustand durch den Ventilsitz
hindurchströmt. .-abgesehen davon arbeitet dir bekannte Einrichtung mit Spülluft.
während bei der vorlierienden Anordnung das eIntretendc@ Brennstoff-Luft-Gemisch
derart geleitet wird, .daß es wie eine sich drehende und in Längsrichtung der Brennkammer
vorw:irts bewegende Wand das verbrannte Gas vor sich herschiebt und durch die Düse
austreibt.
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Das Merkmal der sich kreisend durch den Ventilsitz bewegenden Verbrennungshifi:
kann in vorteilhafter Weise dadurch ausgestaltet werden, daß die Einführung des
Brennstoffes in die in kreisender Bewegung durch den zwischen Ventilteller und Ventilsitz
befindlichen Ventildurchgang strömende Verbrennungsluft durch quer in die Ventilsitzfläche
vorzugsweise an der Stelle <feg gröflten Strömungsgeschwindigkeit eininiindende
Brennstoffzuführun-sdüsen geschieht. Dadurch wird erreicht. da?) der Brennstoff
quer zu der Strömung der kreisenden Verbrennungsluft in letztere eindringt und dadurch
in feinstete Teilchen sofort beim Austritt aus den Düsen abgerissen und zerst:itibt
wird. :liueh wird dadurch ein sparsamer Verbrauch ermöglicht, weil der Zuflul:i
<h,# Brennstoffes bei geschlossenem Ventil selbsttätig unterbrochen wird.
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Bei einer bekannten, jedoch ohne Ventile arbeitenden Verbrennungskaimner
für Gasturbinen wird die Verbrennungsluft zwttiauch in drehende Bewegung versetzt.
aber dies geschieht durch tangentiale Einführung in eine Kammer, wobei der Brennstoff
durch eine Düse ebenfalls in tangentialer Richtung in die Luftkammer eingespritzt
«-ard. Da die Brennstoffeinspritzung in der gleichen tangentialen Richtung wie die
Lufteinführung geschieht, ist eine innige Durchrnischung von Brennstoff und Luft
nicht zu erreichen. weil die Brennstoffteilchen hierbei die gleiche Richtung wie
der kreisende Luftstrom erbalten. Dadurch «-ard bei dem Gegenstand der Erfindung
fortwährend ein Abreißen feinster Brennstoffteilchen und somit in einfacher Weise
eine wirksame Vernebelung und Verwirbelung des Brennstoffes erreicht.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in einer Ausführungsforen beispielsweise
veranschaulicht, und zwar zeigt die einzige Figur der Zeichnung im Längsschnitt
den Einlaßkopf einer Breimkaminer, wobei die Brennkammer selbst nur teilweise dargestellt
ist, sowie die Verbindung von dem Steuerkolben zti den Absperrschiebern des Düsenhalses.
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Die in der Zeichnung veranschaulichteAusführungsform geht aus von
der in Fig. 3 dea Hauptpatents dargestellten Ausfiihrtingsforin.
Danach
besteht die- Einrichtung aus einer Brennkammer i, deren Innenraum 2- birnenförmig
ausgebildet ist. Die Brennkammer kann außen mit Kühlrippen 3 versehen sein. In dem
kugeligen Teil der Brennkammer ist ein Einlaßventil 4. vorgesehen. Gegenüber diesem
Einlaßventil befindet sich ,der Düsenhals 5, dessen Düsenkanal 6 einen r@chteckigen
Oberschnitt besitzt. Die Absperrung des Düsenkanals 6 geschieht durch zwei gegenläufige
Absperrschieber 7, die mit Hilfe von in Achsen 8 gelagerten Winkelhebeln 9 über
ein Gestänge io und einem Arm i i' von der Kolbenstange 12 eines Steuerkolbens 13
in hin und her gehende Bewegung versetzt werden.
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Der Steuerkolben 13, auf dessen untere Fläche 14 der Verbrennungsdruck
wirkt, ist in dem zylinderförmig durchbohrten Ventilschaft 15 des Einlaßventils
q' geführt.
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Die Einlaßleitung 16 mündet nicht unmittelbar auf den Ventilteller
q. des Einlaßventils, sondern zwischen die Einlaßleitung 16 und den Ventildurchgang
ist ein Führungskörper 17 eingelegt, in welchem der Ventilschaft 15 des Einlaßventils
geführt ist. Der Führungskörper 17 ist mit schraubenförmig verlaufenden Kanälen
oder Nuten 18 versehen, durch die das zugeführte Gemisch in drehende Bewegung versetzt
wird.
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Der Ausströmungsquerschnitt des Ventildurchgangs i9 ist nun derart
ausgebildet, daß er sich nach .dem Brennkammerraum 2 hin allmählich erweitert und
außerdem nach der mittleren Längsachse der Brennkammer hin gekrümmt ist. Zu diesem
Zweck sind der Ventiltellerrand 2o und die gegenüberliegende, _ entsprechend ausgesparte
Brennkammerwandung 21 als kurvenförmig gekrümmte Bahnen ausgebildet, die den sich
erweiternden Durchströmungsquerschnitt i9 abgrenzen. Durch die kurvenförmig gekrümmten
Bahnen 20 und 21 wird das sich in drehender Bewegung befindliche einströmende Gemisch
nach der Brennkammermittelachse hin abgelenkt, wobei es gleichzeitig unter der Wirkung
der Fliehkraft steht, so daß eine sich drehende und gleichzeitig sich in der Längsrichtung
der Brennkammer in Richtung auf den Düsenhals vorschiebende Wand aus Frischgemisch
entstellt, die das verbrauchte Gemisch vor sich Herschiebt.
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Die Schließung der Absperrschieber 7 des Düsenkanals 6 geschieht dadurch,
daß das unter Druck stehende Gemisch aus der Einlaßleitung 16 in den Zylinderraum
22 des Steuerkolbens eintritt und letzteren vorschiebt. Damit dieser Vorgang eine
Verzögerung erfährt, ist der Zylinderraum 22 durch einen Ventilkörper 23 absperrbar,
der mit einer Kante 24 des Ventilschaftes 15 zusammenarbeitet. Der Ventilkörper
23 ist ringförmig ausgebildet und auf der Kolbenstange 12 gleitbar gelagert. Der
Ventilkörper 23 steht unter der Wirkung einer Feder 27, die ihn stets gegen die
Ventilsitzfläche 2 ;. des Ventilschaftes 15 zu legen sucht. Infolgedessen kann der
Ventilkörper 23 bei der öfnung des Einlaßventils q. zunächst die Öffnungsbewegung
des Ventilschaftes 15 rnitmachen, wobei er ständig an der Ventilsitzkante 2.4 anliegt
und den Zylinderraum 22 abgesperrt hält. Nach Zurücklegung eines gewissen Weges
wird aber die Bewegung des Ventilkörpers 23 durch einen Anschlag 26 gehemmt, gegen
den sich ein Gegenanschlag 27 des Ventilkörpers 23 legt. Von diesem Augenblick an
kann der Ventilkörper 23 der weiteren Bewegung des Ventilschaftes 15 nicht mehr
folgen, so daß er sich von der Ventilsitzkante 2,4 abhebt. Dadurch wird der Zylinderraum
22 mit der Einlaßleitung 16 in @"erl)indung gesetzt, und der Einlaßdruck kann nunmehr
auf den Steuerkolben 13 wirken und letzteren vorwärts schieben, wodurch die Absperrung
des Düsenkanals 6 herbeigeführt wird.
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Sobald die Auffüllung der Brennkammer beendet ist, schließt sich das
Ventil und drückt den Ventilkörper 23 wieder in die gezeichnete Stellung. Bei der
Entzündung des Gemisches in der Brennkammer wird der Steuerkolben 13 -unter der
Einwirkung des auf die Fläche 1.4 wirkenden Explosionsdrukkes zurückgeschlagen.
Durch den erhöhten Druck in dem Ringraum 22 wird dann auch der Ventilkörper 23 zurückgedrückt,
bis er sich gegen die Anschlagfläche 27Q legt. Der Druckausgleich mit der Einlaßleitung
16 ist dann wiederhergestellt. Der Ventilkörper 23 wird sodann durch die Feder 25
alsbald wieder in die in der Zeichnung dargestellte Stellung gebracht. Der Steuerkolben
13 hat inzwischen bei seinem unter der Wirkung des Explosionsdruckes erfolgten Zurückgehen
die Absperrschieber 7 des Düsenkanals 6 in ihre Öffnungsstellung gebracht und verharrt
in seiner Rückstoßstellung so lange, bis das Ausströmen der Gase aus der Brennkammer
beendet ist und die Neufüllung der Kammer beginnt.
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Bei dem Betrieb der Gasturbine mit schwerem Brennstoff kann vorteilhaft
eine Einrichtung verwendet werden, bei der die Brennstoffzuführungsdüsen 28 unmittelbar
in die Ventilsitzfläche 29 des Einlaßventils .I, und zwar vorzugsweise an der Stelle
der größten Strömungsgeschwindigkeit, einmünden. Der sich in spiralförmiger Drehung
befindliche Strom des eintretenden Gemisches reißt hierbei den eindringenden Brennstoff
in kleinsten Teilen ab, wodurch eine sofortige feine Verteilung und Vernebelung
des Brennstoffes
stattfindet. Außerdem wird durch den Ventilteller
.4 des Einlaßventils bleichzeitig eine Absperrung der Brennstoffdüsen 28 bewirkt.
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Falls die Gasturbine mit Hilfe eines Gebläses betrieben wird. welches
die Luft oder das Gemisch verdichtet, ist eine halb selbsttätige Steuerung des Einlaßventils
vorzuzielien. In diesem Falle kann der Ventilschacht i_5 des Einlaßventils mit einer
Ventilstange 30 verbunden sein, die das Ventil mit Hilfe von z. B. Nocken
oder Kipphebeln einstellt.
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Die beweglichen Teile des Eittlaßkopfes der Brennkammer «erden zweckmäßig
durch umlaufendes Öl gekühlt und geschmiert. Das Öl kann in einem Kreislauf geführt
werden, in dem es durch die Ölkanäle 31 an die Schmierstellen herangeführt und sodann
in einem Ölkühler gekühlt wird, worauf der Kreislauf von neuem beginnt.
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Die vorstehend beschriebene Ausführung kann natürlich auch entsprechend
den im Hauptpatent beschriebenen abgeänderten Ausführungsformen entworfen «-erden.