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Gasluftmaschine mit Zuführung eines Gemisches verdichteter Luft und
gespannter Verbrennungsgase zu einer Entspannungsmaschine Die Erfindung betrifft
eine Gasluftmaschine mit Zuführung eines Gemisches von verdichteter Luft und von
in einem Brennraum erzeugten gespannten Verbrennungsgasen zu einer beispielsweise
zweistufigen Entspannungsmaschine.
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Bei Kraftmaschinen solcher Art ist eine Zerlegung der verdichteten
und durch die Abgase der Entspannungsmaschine vorgewärmten Luft in zwei Teilströme
an sich bekannt.
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So ist es bei Brennkraftturbinen nicht mehr neu, vorgewärmte Druckluft
in zwei Ströme aufzuteilen, von denen der eine zur Verbrennung des Brennstoffes
dient und der andere den Verbrennungsgasen zugesetzt wird. Da hierbei aber die Brenn-
und die Mischkammer sowie die Strömungskanäle für die Zweitluft in einem einzigen
Raum angeordnet sind und hier im Wärmeaustausch miteinander stehen, kann eine hohe,
die Verbrennung schwer zündbarer Brennstoffe und eine _ sichere Verbrennung bei
allen Belastungsstufen ermöglichende Temperatur nicht erzielt werden.
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Bei anderen Kraftmaschinen ist es ferner nicht mehr neu, vorgewärmte
und verdichtete Luft in zwei Ströme aufzuteilen, von denen der eine unmittelbar
dem Brennraum und .der andere zur Zerstäubung des Öles den Brenristoffdüsen zugeführt
wird. Dies hat jedoch zur Folge, daß die Temperatur der Verbrennungsgase am Maschineneintrittsende
nur wenig von ihrer Temperatur im Brennraum abweicht und mithin die Erzielung einer
verhältnismäßig niedrigen Temperatur der der Maschine zugeführten Verbrennungsgase
nicht möglich ist.
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Bei einer weiteren schon vorgeschlagenen, jedoch nicht vorveröffentlichten
Gasturbinenanlage mit zwei voneinander verschieden beaufschlagten Turbinen, von
denen die eine Nutzarbeit leistet und die andere, auf einer von der ersten getrennten
Welle arbeitend, den Arbeitsaufwand zur Verdichtung der Verbrennungsluft aufbringt,
erhalten beide Turbinen über zwei parallele Leitungen von einem Brennraum aus ihre
Beaufschlagung mit Verbrennungsgasen, und als ein beispielsweises Regelelement für
die voneinander unabhängige. Regelung_ der Leistung der beiden Turbinen ist
eine Luftumführungsleitung um den Brennraum zu der zur Nutzleistungsturbine führenden
Verbrennungsgasleitung vorgesehen. Eine Vorwärmung der Luft durch die Abgase findet
hierbei aber nicht statt.
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Des weiteren ist es für bestimmte Anwendungszwecke, vornehmlich für
Diesellokomotiven, bekannt, Kraftmaschinen zu verwenden, bei denen ein Gemisch von
Druckluft und teilweise entspanntem Verbrennungsgas, das
einem Arbeitszylinder
einer Brennkraftmaschine entnommen wird, in einer Entspannungsmaschine Arbeit leistet,
während bei anderen Kraftmaschinen ein Gemisch von Verbrennungsgas und Luft durch
Verbrennung von Flüssigkeiten oder festem Brennstoff in einem Strom verdichteter
Luft hergestellt wird, bevor es in einer Entspannungsmaschine zwecks Arbeitsleistung
entspannt wird.
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Um nun neben einer weitgehenden Ausnutzung der Wärmeenergie in der
Gesamtanlage die Erreichung hoher Temperaturen im Brennraum einerseits und einer
verhältnismäßig niedrigen Temperatur der gesamten, der Entspannungsmaschine zugeführten
Verbrennungsgase andererseits zu ermöglichen, werden gemäß der Erfindung verschiedene
Maßnahmen bei einer Gasluftmaschine der eingangs erwähnten Art getroffen, die zwar
an sich jeweils nicht mehr neu sind, aber in ihrer besonderen Vereinigung und gemeinsamen
Anwendung bei einer Maschine gemäß der Erfindung noch wesentliche Vorteile gegenüber
den bekannten Anordnungen bedingen. Die Erfindung besteht nunmehr darin, einen Teil
der verdichteten und in einem Wärmeaustauscher durch das aus der Entspannungsmaschine
austretende Abgas vorgewärmten Luft zur Verbrennung von Brennstoff in einem- Brennraum
zu verwenden und den anderen Teil unter Umgehung des Brennraumes in einer von diesem
getrennt geführten Leitung den Verbrennungsgasen in Strömungsrichtung hinter dem
Brennraum zuzumischen, worauf dann das Gemisch aus verdichteter Luft und gespannten
Verbrennungsgasen einer beispielsweise zweistufigen Entspannungsmaschine zugeführt
wird.
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Da die Verbrennung mit heißer Luft erfolgt und dementsprechend hohe
Temperaturen im Brennraum herrschen, kann auch ein schwer zündender Brennstoff verwendet
und bei allen Belastungsstufen der Maschine die Verbrennung ohne besondere Zünd-
oder Hilfseinrichtungen aufrechterhalten werden. Der Wärmeaustauscher spart mithin
nicht nur Wärme, wie beispielsweise die Abwärrneverwerter bei den bekannten Maschinen,
sondern ermöglicht gleichzeitig die Verwendung beliebiger schwer zündender Brennstoffe
ohne besondere Zündeinrichtungen. Trotzdem wird die Entspannungsmaschine nicht durch
die im Brennraum herrschenden hohen Temperaturen gefährdet, weil vor dem Eintritt
der hochgespannten heißen Verbrennungsgase in die Entspannungsmaschine, jedoch außerhalb
des Brennraumes, diesen Luft in solcher Menge zugemischt wird, daß die Gastemperaturen
auf ein zulässiges Maß sinken. Der Vorteil der Luftvorwärmung wird also zur Erzeugung
einer hohen Temperatur im Brennraum restlos ausgenutzt und gleichzeitig die damit
verbundene Gefahr der Überhitzung und Zerstörung der Entspannungsmaschine durch
Zumischen von Überschußluft vermieden. Hierbei kann das Mengenverhältnis der beiden
Warmluftteilströme auf jede beliebige Temperatur des Gas-Luft-Gemisches vor der
Entspannungsmaschine eingeregelt werden, wobei diese Einregelung durch den Einbau
eines die Menge der abgezweigten Luft beeinflussenden und vor der Entspannungsmaschine
angeordneten Temperaturreglers erleichtert werden kann, der selbsttätig jeweilig
eine Temperatur vor der Entspannungsmaschine einstellt, die möglichst hoch ist,
ohne jedoch die durch den Werkstoff der Maschine vorgeschriebene Grenze zu überschreiten.
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An sich sind Mengen- und Temperaturregler solcher Art natürlich bekannt.
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Auch ist schon bei Gasturbinen nicht mehr neu, zur Regelung des Brennstoffes
der Erstluft und der Zweitluft einen Regler zu verwenden, durch den eine Flamme
von stets gleichmäßiger Beschaffenheit und einer Belastung der Turbine angepaßten
Größe erzielt werden soll.
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Ebenfalls bei Gasturbinen ist es bekannt, einen Temperaturregler vorzusehen,
der bei einer zu starken Steigerung der zur Turbine strömenden Gase die Brennstoffzufuhr
drosselt.
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Bei der Gasluftmaschine nach der Erfindung ist eine einwandfreie Temperaturregelung
jedoch von besonderer Bedeutung, weil bei den hochüberhitzten Verbrennungsgasen
die Gefahr des Eintretens zu heißer Gase in die Maschine besonders groß ist.
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In den Abb. i und 2 sind Gasluftmaschinen gemäß der Erfindung in zwei
möglichen Ausführungsformen schematisch veranschaulicht.
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Nach Abb. i wird durch den Ansaugstutzen i Luft von atmosphärischer
Spannung und Temperatur dem ein- oder mehrstufigen Verdichter 2 zugeführt, der mittelbar
oder unmittelbar durch die Entspannungsmaschine lo angetrieben wird. Im verdichteten
Zustand strömt die Luft durch die Leitung 3 zum Wärmeaustauscher q., in welchem
sie durch das Abgas der beispielsweise zweistufigen Entspannungsmaschine io vorgewärmt
wird. Die Leitung 5 führt die Luft zur Verteiler- und Regelvorrichtung 6. Von hier
fließt ein Teilstrom der Luft durch die Leitung 7 zu dem mit gas- oder staubförmigem,
flüssigem oder festem Brennstoff beschickten Brennraum B. Die entstehenden gespannten
heißen Verbrennungsgase werden vor dem Eintritt in die Entspannungsmaschine io in
der Leitung 9 mit der übrigen Luft wieder vereinigt. In der Entspannungsmaschine
io
wird das Gas-Luft-Gemisch unter Arbeitsleistung ein- oder zweistufig
teilweise entspannt, es fließt dann durch die Leitung i i zum Wärmeaustauscher q..
In diesem gibt es unter weiterer Abkühlung und Entspannung auf Atmosphärendruck
den größten Teil seiner- fühlbaren Wärme an die verdichtete Luft ab. Außerdem wird
eine dem Druckverlust bzw. der Reibungsarbeit des Gemisches und der Luft im Wärmeaustauscher
entsprechende Wärmemenge auf die vorzuwärmende Luft übertragen und somit dem Arbeitsprozeß
wieder zugeführt. Durch die Leitung 12 entweicht dann das Gas-Luft-Gemisch ins Freie.
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Zur Verdichtung und Entspannung können Maschinen aller Art, auch Kapsel-
oder Drehkolbenmaschinen, benutzt werden. Der hinter der Entspannungsmaschine noch
vorhandene Druck dient zur Überwindung des Strömungswiderstandes des Luftvorwärmers,
dessen Wärmeaustauschfläche um so kleiner bemessen werden kann, je höher der Druckverlust
ist.
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Das Gas-Luft-Gemisch kann auch auf einen unter dem atmosphärischen
liegenden Druck entspannt und dann vor dem Austritt ins Freie wieder auf atmosphärischen
Druck verdichtet werden, wie dies bei Brennkraftmaschinen an sich bekannt ist.
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Eine hierfür geeignete Anordnung zeigt Abb. 2.
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Die in dieser Abbildung dargestellten Vorrichtungen i bis 12 entsprechen
denen des ersten Ausführungsbeispiels. Durch die Leitung 12 wird das auf unteratmosphärischen
Druck entspannte Gas-Luft-Gemisch einem Verdichter 13 zugeführt; es entweicht dann
durch die Leitung 15 ins Freie, nachdem es vor der Verdichtung durch eine Einspritz-oder
Oberflächenkühlvorrichtung 1q. möglichst weit abgekühlt wurde. Der Verdichter 13
wird mittelbar oder unmittelbar von der Entspannungsmaschine io angetrieben. Da
bei der Entspannung des heißen Gas-Luft-Gemisches in der Entspannungsmaschine io
von Atmosphärendruck auf Unterdruck mehr Arbeit gewonnen wird, als für die Zurückverdichtung
des gekühlten Gas-Luft-Gemisches notwendig ist, wird durch diese Anordnung ein weiterer
Arbeitsgewinn erzielt. Außerdem bewirkt-die weitgehende Entspannung in der Entspannungsmaschine
io eine tiefere Temperatur des Gas-Luft-Gemisches beim Austritt aus dieser Maschine.