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Verpuffungskammer, vorzugsweise für Verpuffungsbrennkraftturbinen
Die Entfernung der bei einer Verpuffung entstehenden Verbrennungsgase, insbesondere
die Ausspülung des Verpuffungsraumes von Restverbrennungsgasen, macht bei Kolbenbrennkraftmaschinen,
soweit die Aüssch.iebung durch .den Kolben der Brennkraftmaschine vorgenommen wird,
keine Schwierigkeiten, während diese sofort auftreten, wenn es sich um kolbenlose
Verpuffungskammern handelt, wie sie insbesondere zum Betriebe von Verpuffungsbrennkraftturbinen
Verwendung finden. Insbesondere im Beginn der Entwicklung der Verpuffungskammertechnik
zeigte sich die Erscheinung, daß von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel sich ständig steigernde
Temperaturerhöhungen auftraten, die schließlich dazu führten, daß in der Verpuffungskammer
gebildete zündfähige Gemische sich unabhängig von dem durch Fremdzünder eingestellten
Zündzeitpunkt entzündeten. Es entstanden dadurch Früh- und Vorzündungen, die noch
bei Eröffnung der die Geinischbesta.ndteile in ,die Kammer einlassenden Glieder
eintraten, so daß ein geordneter Verpuffungskammerbetrieb nicht durchgeführt werden
konnte.
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Die Weiterentwicklung der Verpuffungskammertechnik machte die Beherrschung
dieser Erscheinungen möglich. Diese Entwicklung kennzeichnet sich dadurch, d:aß
man das Einlallende der Verpuffungskammern zum Lufteinlaßglied zu kegeli:g verjüngte,
so daß unter Berücksichtigung des zur Unterbringung des Ventiltellerkopfes benötigten
Raumes eine etwa ventüridüsen.arti,ge Gestaltung erhalten wurde, welche die Möglichkeit
bot, der in die Verpuffungskammer einsgelassenen Verbrennungsluft, die gleichzeitig
der Verdrängung der Restverbrennungs:gase von der vorhergehenden Verpuffung her
diente, einen Strömungsverlauf zugeben, :der die Ausschiebung der Restverbrennungsgase
nach Art eines Kolbens sicherstellen sollte; insbesondere war der Luft die Möglichkeit
gegeben, sich im engsten Querschnitt der Venturidüse auszurichten und sich beim
Durchströmen der kegeligen Erweiterung gleichmäßig über :den gesiamten. Querschnitt
der Verpuffu.ngskamirrer
zu verteilen und zu verbreitern. In der
Tat zeigten Rauchversuche an Glasmodellen und auch Analysen von an verschiedenen
Stellen der Verputtungskaminern abgezapften Gasproben, daß in Abhängigkeit vom Verlauf
eines Arbeitsspiele: an einer bestimmten Stelle der Verpuffungskammer entweder Verbrennungsgase
oder Luft vorhanden waren oder festgestellt werden konnten.
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-Nachdem mit einer derartigen Ausbildung des Kammereinlaßendes der
erfolgreiche Betrieb von größeren Versuchsturbinen durchgeführt werden konnte, zeigte
ein genauer Vergleich der mit derartigen Turbinen erhaltenen Betriebsergebnisse,
daß sich bei ein7elnen Turbinen das Arbeitsverfahren, als Ganzes gesehen, mit höheren
Temperaturen abwickelte, während andererseits ein weit kälterer Arbeitsverlauf festzust°Ilen
war. Die Vorteile liegen dabei durchaus auf der Seite der Durchführung des Arbeitsverfahrens
mit niedrigeren Temperaturen. Denn eine hohe Temperatur unmittelbar vor der Zündung
ruft stets die Gefahr von Früh- und Vorzündungen hervor, womit die geordnete Durchführung
des Arbeitsverfahrens in Frage gestellt wird. Weiter werden die höchsten Verpuffungstemperaturen
und die Verbrennungsgasgeschwincligkeiten erhöht. Es steigern sich demgemäß die
Wärmeübergänge. Es sinkt das Fassungsvermögen der Verpuffungskanimer en Luft- und
Gasgewicht. Es vermindert sich weiter die während der Verpuffung erzielbare Drucksteigerung,
die der Temperatursteigerung verhältnisgleich ist. Denn die Verpuffung führt praktisch
zu einer gleichbleibenden Temperaturerhöhung, so daß .das Verhältnis der Temperaturen
vor und nach der Verpuffung um so kleiner wird, je höher die Temperatur vor der
Verpuffung ist.
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Es bestand daher aller Anlaß zu genaueren Untersuchungen und Versuchen
darüber, aus welchen Gründen bei sonst anscheinend völlig gleichartigen Verhältnissen
.das Arbeitsverfahren in den Karninern einer der Turbinen mit höheren, in den Kammern
einer anderen Turbine mit niedrigeren Temperaturen abgewickelt wurde. Genauere Temperaturmessungen
zeigten dabei, daß die Höher- oder Tieferlegung der Temperaturen jedes Arbeitsverfahrens
im wesentlichen gleichartig verlief mit den Temperaturerhöhungen, die sich Utlmittelbar
vor der Zünclung beobachten ließen und die bei höheren Spielzahlen, etwa in. der
Größenordnung von 6o bis zoo in cler Minute, auf Werte zwischen Zoo und 3(10"J bestillinit
werden konnten. Diese verschierlenartigen Temperaturerhöhungen ließen sich bei weiterer
Durchführung der Untersuchung auf einen verschiedenen Aufheizungsgrad der eingeführten
Luft zurückführen. Im wesentlichen kann man diese Aufheizung auf Berührung und Strahlung
zurückführen. Da hierdurch jedoch eine gewisse Gleichmäßigkeit der Verhältnisse
entstehen muß, sind weitere Einflüsse für die beobachteten Verschiedenheiten verantwortlich
zu machen, die schließlich dahin ermittelt wurden, daß entgegen der Annahme. durch
.die venturiclüsenartige Gestaltung des Einlaßendes der Verpuffungskammer werde
ein nahezu wirbelloses, kolbenartiges Eindringen der Luft in die Verpuffungskammer
gewährleistet, tatsächlich eine mehr oder weniger starke mischung zwischen Luft
und Restverbrennungsgasen eintritt, die darauf zurückzuführen ist, daß sich die
beim Eintritt der Luft in die Verpufiungsk.arnmer auftretenden Luftwirbel nicht
völlig beruhigen. Te nach- dem Grad dieser Wirbelbildung treten nun erheblich höhere
oder niedrigere Temperaturen vor der Zünclung auf, die die Temperaturen des gesamten
Arbeitsverfahrens in der eingangs dargelegten Weise beeinflussen.
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Will rnan daher diese Temperaturen in der gewünschten Weise beherrschen,
so muß man versuchen, die Wirbelbildung, die entgegen allen Erwartungen und im Gegensatz
zu den Modellversuchen und Analysen immer noch in einen Grade auftritt, daß zwar
der geordnete Verpuffungskatninerbetrieb ermöglicht wird, aber die eingangs dargelegten
-Nachteile durch zu hohe Temperaturen vor der Zündung entstehen. gänzlich oder naliczu
zti beseitigen. Da bereits der strönlungstecliniscli richtige Verlauf des Einlaßencles
der Verpuffungskainmer durch die venturicliisenartige Gestaltung derselben verwirklicht
worden ist, kann durch Formgebung der Strömungswege der Luft auf die Wirbelbildung
kein Einfluß mehr genommen werden. Dagegen bestellt diese Einflußnahme in bezu.g
auf die Geschwindigkeit der in die Verpuffungskanliner einströmenden Luft. Denn
die Luft wird um so ruhiger in die Verpuffungskaninier eintreten., je geringer ihre
Ströintingsgeschtvindigkeit ist. Die Strömungsgeschwindigkeit cler Luft hängt jedoch
allein von dein Verhältnis des Austrittsquerschnittes für rlen Kammerinhalt zum
Eintrittsquerschnitt der Luft ab. Bei den praktisch in Betracht kommenden Betriebsdrücken
strönlvii die Gase durch den engsten Querschnitt der Austrittsöffnung aus der @-erpuffungskalniiier,
der in der Regel durch die Turbinendüsen gebildet wird, mit lein kritischen Druckverhältnis
aus. d. 1i. mit der kritischen Geschwindigkeit im engsten Otiersclniitt. Demgemäß
ist die Geschwindigkeit im engsten Querschnitt im allgemeinen durch die Temperatur
der Gase bestimmt, und zwar verhältnisgleich der nuadratwurzel aus dieser Temperatur.
Es kann daher in
einer für diese Betrachtung ausreichenden Annäherung
von dieser Geschwindigkeit als gegeben ausgegangen werden. Tun steht die Geschwindigkeit,
mit der die Luft durch den Einlaßquerschnitt in die Kammer einströmt, um die Resti
erbrennün.gs,gase zu verdrängen, zu der Geschwindigkeit der Restverbrennungsg.se
im engsten Düsenquerschnitt im umgekehrten Verhältnis wie die Einströmöffnung zur
Ausströmöffnung. Als maßgebend für die Wirbelbildung wird damit die sächlich Größe
der haben Einströmöffnuna Versuchsreihen gefunden. und praktische Tat- -Turbinenausführungen
bestätigt, daß von einem bestimmten Grenzwerte ab sich die Luftströmung beim Eintritt
in die Verpuffungskammer überraschend beruhigt und daß mit ..dieser Beruhigung und
der mit ihr verbundenen Unterdrückung jeglicher .größerer Wirbelbildung eine sprunghafteVerringerung
der Temperatur vor der Zündung eintritt, ohne daß mehr Luft, als zur Füllung der
V erpuffungskammer erforderlich, aufgewandt werden müßte. Die sich bei diesem Grenzwert
einstellende Grenzgeschwindigkeit :der Luft konnte auf etwa aoo m/Sek. festgestellt
werden. Je größer das Verhältnis des engsten Querschnittes des voll eröffneten Lufteinlaßgliedes
für die die Restverbrennungsgase aus der Kammer verdrängende Luft zu dem engsten
Querschnitt der die Restverbrennungsgase aus der Kammer entlassenden Gasleitung
gewählt wird, desto stärker beruhigt sich die Luftströmung und desto geringer bleibt
die Temperatur vor der Zündung. Aus praktischen Rücksichten kann selbstverständlich
dieses Verhältnis nicht beliebig .groß gewählt werden. Es bat sich vielmehr ergeben,
daß bei der angegebenen Grenzgeschwindigkeit das Verhältnis etwa den Wert 3 : i
besitzt, so daß sich, ausgehend von diesen im Zusammenhang dargestellten Erkenntnissen,
erfindungsgemäß ausgebildete Verpuffur_gskammern, vorzugsweise mit sich zum Lufteinlaßglied
hin kegelig verjüngenden Einlaßenden, insbesondere für- Verpuffungsbrennkraftturbinen,
dadurch kennzeichnen, daß der engste Querschnitt des voll eröffneten Einlaßgliedes
für die die Restverbrennungsgase aus der Kammer verdrängendeLuft mindestens dreimal
so- groß ist wie der engste Querschnitt der die Restv erbrennungsgase aus der Kammer
entlassenden Gasleitung, insbesondere der von den Restverbrennungsgasen beaufschlagten
Düsengruppe. Ein mit Rücksicht auf die baulichen Verhältnisse-dabei besonders gut
vertretbares und in bezug auf die Wirkung besonders günstiges Verhältnis liegt dabei
nach weiteren vorliegender Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnissen in den Grenzen
zwischen 4 und 6, günstigstenfalls bei etwa 5. Bei diesem Verhältnis besitzt die
Eintrittsgeschwindigkeit der Luft eine Größenordnung von rd. ioo m/Sek. Eine .auf
diese Geschwindigkeit abgestimmte Ausbildung des Kammereinlaßendes macht baulich
nicht die geringsten Schwierigkeiten, während - andererseits bei einer derartigen
Lufteintrittsgeschwindigkeit die Gefahr von Wirbelbildungen so weitgehend unterdrückt
ist, daß verhältnismäßig niedrigere Temperaturen des gesamten Arbeitsverfahrens
mit den hierfür dargelegten Vorteilen entstehen.
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Die Zeichnung zeigt eine Ausführung des Erfindungsgedanl-,ens am Beispiel
einer mit zwei Kammern ausgerüsteten Verpuffungsbrennkraftturbine, und zwar in der
Stirnansicht auf Verpuffungskammern und Turbine. Man erkennt die Verpuffungskammern
i und 2, deren linde im senkrechten Schnitt dargestellt ist. Die Verpuffungskammern
beaufschlagen durch die in der Draufsicht erkennbaren Düsenventile 3, .4 über nicht
dargestellte Düsen die Beschaufelung der Turbine, die in zwei Druckstufen, etwa
in Form zweier doppelkränziger Räder, verwirklicht ist. Dieser Teil. der Turbine
ist, als an sich bekannt und für vorliegenden Erfindungsgedanken nicht wesentlich,
nicht dargestellt. ,Nachdem die Hauptmasse der Verbrennungsgase über die Düsenventile
3 und d. die @7erpuffungskam.mern i und z verlassen hat, schließen sich die Düsenventile
3 und 4., und es eröffnen sich die Auslaßventile 5 und 6. Dadurch haben die Restverbrennungsgase
Gelegenheit, dem Düsenkranz 7 vor der zweiten Druckstufe der Turbine zuzuströmen,
so daß die Restverbrennungsgase in dieser zweiten Druckstufe verarbeitet werden.
:@achdein die Verbrennungsgase in den Kammern i und a, deren Arbeitsspiele gegeneinander
versetzt sind, eine Spannung erreicht haben, die etwa dem Druck der über Leitungen
io und ii den Lufteinläßgliedern 8 und 9 zugeführten Luft entspricht, öffnen sich
diese Lufteinlaßglieder, so d-aß die Luft in die Verpuffingskammern i und z einzuströmen
vermag. Sie schiebt dabei die Restverbrennungsgase vor sich her,. so daß sie über
-die Düsengruppe 7 der Beschaufelung im zweiten Laufrad des Turbinenläufers zuströmen.
Der en.gsteOuerschnitt der Düsengruppe 7 ist dabei maßgebend für die Gasmenge, die
in der Zeiteinheit bei dem gegebenen Druck aus den Verpuffungskammern ausströmen
kann. Diese Gasmenge liegt praktisch dadurch fest, daß die kritische Geschwindigkeit
im engsten Querschnitt der Düsengruppe 7 verhältnisgleich der Quadratwurzel aus
der absoluten Gastemperatur ist, sich also nur wenig ändert. Die Geschwindigkeit,
mit der die Luft durch <die geöffneten Ventile 8 und 9 nachströmt,
hängt
also von dein Verhältnis des Querschnittes jedes Luftventils 8 oder 9 zum engsten
OOuerschnitt der Düsengruppe ; ab. Ist dieses Verhältnis nach den Regeln vorliegender
Erfindung größer als 3, so halten. sich die Luftgeschwindigkeiten in so geringen
Grenzen, daß eine fast wirbelfreie Verteilung der Luft auf den Kammerquerschnitt
durch das kegel.ig ausgebildete Eintrittsende 12 der Verpuffungskammern eintritt.
Wird dieses Verhältnis auf 3 gesteigert, so sind Wirbelbildungen nicht mehr feststellbar,
so daß sich die Temperaturen des Arbeitsverfahrens auf den Wert vermindern, der
bei den gegebenen Verhältnissen im Mindestmaß erreichbar ist. Damit tritt das Größtinaß
der Vorteile ein. die sich in der Richtung der Senkung dieser Temperaturen erreichen
lassen.