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Treibgaserzeuger Die Erfindung bezieht sich auf Anlagen, die mindestens
-einen Flugkolbentreibgaserzeuber und mindestens eine dessen Gase aufnehmende Maschine,
insbesondere eine von diesen Gasen getriebene Turbine, enthalten. Hierbei wird mit
Flugkolbentreibgasterzeuger eine Maschine an sich bekannter Art bezeichnet, in der
die .durch den oder die Vendirhterkolben eines oder mehrerer Freiflugkolb,ensätze
verdichtete Luft die Spülung und Speisung eines Brennkraftzylinders durchführt und
das diesen Zylinder verlassende Druckgasgemisch, das im wesentlichen aus SpülluftüberschuB
und Verbrennungsgasen besteht, durch seine Entspannung in der dieses Gas aufnehmenden
Masichinie mechanische Arbeit leistet. Bei derartigen Anlagen ist es zur Erhöhung
der Leistung je Gewichtseinheit bekannt, den oder die. Verdichtungszylinder
des Treübgaserzeugers mit Druckluft zu üb,erspeisen.. Die bekannte Überspeisung
hat aber nur unwesentliche Ergebnisse gehabt, die die mit der überspeisung verbundene
Verteuerung der Anlage kaum lohnten. Der Grund hierfür liegt in der Biegrenzwng
der zulässigen Höchsttemperatur der fineibgase, die durch die Hitzebeständigkeit
der ehe Treibgase ausnutzenden Maschine, bei Turbinen durch die Hitzebeständigkeit
der Turbinenschaufeln gegeben ist. Die obere Grenze der Treibgastemperatuir liegt
heutzutage in der Regel zwischen 6o0 und 700°C. Diese Verhältnisse setzten; bisher
der Anwendung der überspeisimg verhältnismäßig
enge Grenzen, da
die Treibgastemperatwr um so höher ist, je höher der Treibgasdruck ist.
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Die Erfindung bezweckt, die Druckgren; zen, bis zu denen die Überspeisung
möglich ist, wesentlich zu erweitern, ohne daß dabei die zulässigen Treibgashöchisttemperaturen
überschritten werden, und gleichzeitig der Anlage einen guten Wirkungsgrad zu sichern.
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Gemäß der Erfindung sind für die überspeisungsluft vor ihrem Eintritt
in den Treibgaserzeuger Kühlmittel vorgesehen, welche in Abhängigkeit von der Temperatur
und (oder) dem Druck der vom Treihgaserzeuger gelieferten Gasse regelbar sind. Die
genannten Kühlmittel sind zweckmäßigerweise zwischen dem überspeisungsgebläse und
dem bzw. den Verdichtungszylindern des Treibgaserzeugers oder auch zum mindesten
teilweise zwischen den Stufen dies überspeisungsgehläses angeordnet.
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Durch die Regelung der Kühlwirkung in Abhängigkeit von der Temperatur
oder dem Druck der Treibgase wird eine zu starke, den Wirkungsgrad dier Anlage beeinträchtigende
Kühlung insbesondere bei niedrigen Drücken vermieden; denn es ist immer- vorteilhaft,
daß sich die Treibgast.em.peratur soweit als möglich der zulässigen Höchsttemperatur
nähert, ohne diese jedoch zu überschreiten.
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Es ist weiterhin schon bekannt, zum Antrieb dies die: Übers,peisungsluft
liefernden Gebläses eine Hilfsgasturbine zu verwenden, die ebenso wie die Hauptgasturbine
der Anlage durch die vom Treibgaserzeuger gelieferten Kraftgase gespeist wird. Bei
der bekannten Anlage wird das für die Hilfsturbine bestimmte Kraftgas von dem die
Hauptturbine speisenden Kraftgasstrom Demgegenüber besteht eine besonders zweckmäßige
Ausbildung der Erfindung darin, die Haupt- und Hilfsturbine hinsichtlich der Kraftgasströmung
hintereinanderzuschalten, insbesondere wenn es sich uni Anlagen handelt, bei denen
der Druck der Außenhift im wesentlichen unveränderldch ist, wie dies bei ortsfesten
An' agen oder Schiffsanlagen der Fallist.
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Die Hintereinanderschaltu.ng der beiden Turbinen hat erAebliche Vorteile.
Einerseits wird dadurch ein hoher Wirkungsgrad erzielt, cla die gesamte vom Treibgaserzeujer
gelieferte Gasmenge durch jede der beiden Turbinen strömt. Andererseits wird dadurch
ohne Anwendung besonderer Regelungsmittel mindestens im Hauptbetriebsbereich der
Anlage eine selbsttätige Regelung der Hilfsturbine erreicht. Wenn durch das Arbeiten
der von der Hauptturbine gesteuerten Regelungsmittel eine Änderung des Druckes der
Treibgase eintritt, so wird durch eine entsprechende Änderung der Leistung der Hilfsturbine
der Förderdruck des durch letztere getriebenen Gebläses der Veränderung des Treibgasdruckes
angepaßt.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht,
und zwar zeig en die Fig. i bis 3 drei Anlagern gemäß drei verschiedenenAusführungsformen
der Erfindung. Fig.4 ist ein Kurvenbild zur Erläuterung des Erfindungsgedankens.
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Der Treibgaserzeuger kann einen Arbeitszylinder i und einen Verdichterzylinder
2 besitzen; in diesen arbeitet ein Frei-flugkolbensatz, der einen Kraftkolben 3
und einen Verdichterkolben 4. enthält, welch letzterer den Verdichterzylinder in
zwei Räume 2112-, unterteilt, von denen der auf der Innenseite des Kolbens 4. gelegene,
mit einem Einlaßventil 5 und e m Auslaßventil6 versehene Raum als eigentlicher Verdichter
dient, während der Außenraum 2_ eine Art Puffer o. d-1. bildet, durch welchen der
Kolbensatz 3, .4 nach seinem inneren Totpunkt zurückgeschoben wird.
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Mindestens der Teil des Treibzylinders i, in dem sich die E.inlaßöffnungen
7 befinden, ist von einem Gehäuse 8 umgeben, das durch die Druckluft gespeist wird,
die in dem Raum 2, des Zylinders 2 verdichtet und durch das Auslaßventil 6 in dieses
Gehäuse geschohen worden ist. Das aus Spülluft und Verbrennungsgasen bestehende
Druckgasgemisch entweicht durch die Öffnungen 9 aus dem Kraftzylinder i.
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Dieser Zylinder besitzt eine Einspritzvorrichtung io; sie wird durch
eine Einspritzpumpe i i gespeist, die in bekannter Weise durch .eine Stellstange
12 o.. dgl. regelbar ist. Diese Stange läßt sich durch einen Handhebel 13 (Fig.
i und 2) oder mittels eines Reglers 14 verschieben (Fig.3).
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Zum Antrieb dieser Pumpe dient eine am Kolbensatz 3, q. befestigte
Stoßstange 15.
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Die Druckluft im Gehäuse 8 tritt in den Kraftzylindier i über, wenn
siech der Freifl-ugkol:bensatz 3, .l in der Nähe seines äußeren Totpunktes befindet;
sie spült dadurch die Verbrennungsgase aus diesem Zylinder und beliefert ihn mit
Frischluft. Das aus diesen Verbrennun:gsgasen und der Spülluft bestehende Gasgemisch,
das noch eine starke Spansiung hat, wird durch eine Leitung 16 der Gasturbine 17
zugeführt, in der sich dieses Gemisch entspannt, während die so in Umlauf versetzte
Turbine beispielsweise eine Dynarnomaschi.ne 18 (Fig. i und 3) oder eine Schiffsschraube
i9 (Fig. 2) treibt.
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Der Hauptausbildung der Erfindung entsprechend werden Kühlanlagen
2o für die Luft vor ihrem Eintritt in den Treibzylinder i vorgesehen, wobei diese
Kühleinrichtungen vorteilhaft zwischen einem überspeisegebläse
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und dien Einlaßventilen 5 des Verdichterzylind ers eingebaut sind.
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Wenn das Verdichtungsverhältnis des Gebläses 21 in bekannter Weise
zur gleichen Zeit steigt wie der Ausström- oder Förderdruck des Gaserzeugers, so:
ändert sich die Ausströmtempseratur t in Abhängigkeit von dem Ausströrndruck p nach
der Kurve a (Fig. ¢) für den Fall, daß die durch den Verdichterzylinder des Treibgaserzeugers
angesaugte Luft nicht seiner Kühlung unterworfen wird.
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Aus der Fig. q. ist ersichtlich, daß die Temperatur t unter diesen
Bedingungen die Grenztemperatur t1 bei einem verhältnismäßig niedrigen Ausströ.mdruck
bereits überschreitet.
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Wird nun die Luft vor ihrem Eintritt in den Treibzylinder i und insbesondere
vor dem Verdichterzylinder einer ständigen Kühlung unterworfen, so läßt sich die
Abströ.mtemperatur beispielsweisse derart senken, daß sie sich in Abhängigkeit von
dem Ausströmdruck nach der Kurve b ändert. Aus dieser Kurve folgt, daß die Temperatur
t die Grenztemperatur t1 erst bei einem Ausströmdruck Pb serreicht, der höher isst
als der Druck p..
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Durch dies gleichbleibende Kühlung ist also das Anwendungsgebiet der
Überspeisung des Treibgaserzeugers wesentlich erweitert worden; aber es lüßt sich
nuz ein wenig zufriedenstellender Wirkungsgrad erzielen; denn tun den höchsten Wirkungsgrad
zu erreichen, ruß man sich soweit wie möglich der Temperatur t1 nähern., ohne sie
zu überschreiten, und dabei für die Anlage einen Wärmezusitand beibehalten, der
für einen möglichst ausgedehnten Ausstr öm@druckbereich glechbleibt.
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Um zu diesem Ergebnis zu gelangen, wird die Kühlung ;geregelt, und
zwar entweder unmittelbar in Abhängigkeit von der Awsströmtemperatur oder einer
sich zugleich mit dieser ändernden Temperatur oder mittelbar in Abhängigh-eit von
dem Ausströmdruckoder einem sich zugleich mit ihm ändernden Druck, so daß der gebrochene
Linienzug c oder eine ihm entsprechende Kurve entsteht.
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Zu diesem Zweck kann bei unterhalb des Druckes p, liegenden Drücken
oder bei medrigeren Temperaturen als 1l die Kiihlwimkung ganz fortfallen, so daß
die, Kurve e bei kleineren Drücken als dem Druck p" mit der Kurve a
znsammienfällt.
. 91 Von dem: Zeitpunkt oder dem Betriebszustand, in welchem der Ausströmdruck p"
oder die Grenztemperatur il erreicht wird, wird der Kühler in Tätigkeit gesetzt
und steigert seine Einwirkung um: so stärker, als der Auss.trömdruck steigt, um
die Temperatur der den Erzeuger verlassenden Gase im wesentlichen gleich t1 zu halten,
wodurch somit der zweite Teil der Kurve c eine zur Abszissenachse parallele Gerade
wird. Um diesen Regeleinfluß zu erreichen, kann auf verschiedene Weise verfahren
werden.
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Zweckmäßig wird eine Umgehungsleitung 22 parallel zum Kühler 2o angeordnet,
in der eine Drosselklappe 23 liegt, die entweder in Abhängigkeit von dem. Druckoder
entsprechend der Temperaturänderung gesteuert wird, die in der Gaszuführungsleitung
16 der Turbine 17 vor sich geht. Die Regelung in Ab-
hängigkeit
von der Temperatur kann beispielsweise, mittels eines Thermostaten 231 erfolgen.
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Diese Regelvorrichtung ist derart eingerichtet, daß die Umgehungsleitung
ganz offen ist, wenn der Ausströmdrück unter dem Wertpo liegt oder trenn die Temperatur
der aus dem Erzeuger abströmenden Gase niedriger als der Wert t1 ist.
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Sobald dieser Druck bzw. .diese Temperatur erreicht ist, beginnt 'die
Klappe 23 sich. zu schließen; sie zwingt damit einen Teil der von dem Gebläse 21
geförderten Luft, dien Kühler zu durchfließen. Dieser Teil wächst um. so mehr, jse
größer die Drosselwirkung der Klappe 23 wird. Hierdurch läßt sich verhindern, daß
die Temperatur der Treibgase in der Leitung 16 die Höchstgrenze t1 überschreitet.
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Anstatt die Wirkung des Kühlers 20 durch eine Umgehungsleitung mit
Drosselklappe zu regeln, kann es in manchen Fällen zweckmäßig sein, andere Mittel
zur Erreichung einer entsprechenden Wirkung zu verwenden; insbesondere kann die
Menge des Wassers oder der Luft, die als Kühlmittel in der Vorrichtung 2o dient,
in Abhängigkeit von der Temperatur oder dem Treibgasdruck geregelt werden.
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Als die Regelung der Kühlwirkung beeinflussende Temperatur kann in
manchen Fällen statt der Temperatur des Gasstromes vor der Turbine 17 die
Temperatur der aus der Turbine abströmenden Gase dienen.
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Das Gebläse 2 i, das zur Überspeisung des Verdichterzylinders des
Treibgaserzeugers dient, kann durch, beliebige Mittel in Drehung versetzt werden,
vorteilhaft durch eine Gasturbine 24., die parallel zur Turbine 17 mit Treibgas
aus dem Treibgaserzeuger bea:ufschlagt werden kann (Fig. i).
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Die Kraftar tage kann nun in der beschriebenen Weisse benutzt oder
besser durch mindestens einige der nachstehend beschriebenen Einrichtungen. sergänzt
werden, die gegebenenfalls auch für sich benutzt werden. können, z. B. für den.
Fall, daß die Zusatzturbine 24 zum Antrieb.einer anderen -Maschine dient als eines
-C#ebläses.
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Wenn es sich um eine ortsfeste oder eine Schiffsanlage handelt, bei
denen im Gegen-Satz zu Flugzeug-kraftbetrieben der Druck der
Außenluft
im wesentlichen gleichbleibt, so kann, entsprechend einer dieser letzterwähnten
Einrichtungen, die Zusatzturbine 24 in Hintereinanderschaltung mit der Hauptturbine
17 angeordnet werden, wie dies Fig. 2 und 3 veranschaulichen.
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Die beiden Turbinen 17 und 24. werden vorteilhaft derart bemessen,
daß selbst für große Leistungsänderungen der Hauptturbine i7 keine Regelung des
Turbogebläsesatzes 21 bis 2q. notwendig wird. Die Leistungsregelung der Anlage erfolgt,
zum mindesten imierhalb normaler Betriebsbereiche, lediglich durch Änderung der
durch die Einspritzpumpe i i zugeführten und mittels der Vorrichtung io in den Treibzylinder
i gespritzteh Brennstoffmenge.
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Wenn auf diese Weise der Druck der vom Treibgaserzeuger gelieferten
Kraftgase sich infolge einer Änderung der von der Hauptturbine 17 geforderten Leistung
ändert, so wird eine selbsttätige Anpassung des Förderdruckes dies Gebläses 21 erzielt,
das von der Hilfsturbine 24. getrieben wird.
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Das Hintereiinanderanordnen der beiden Turbinen i; und 24. hinsichtlich
der Treibgasströmung führt dazu, daß die Anlage mit Sicherheit mit einem hohen Nutzeffekt
arbeitet, der sich daraus erklärt, daß die gesamte vom Treibgaserzeuger gelieferte
Gasmenge durch jede der beiden Turbinen strömt.
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Je nach den Bedingungen, unter welchen die Anlage arbeitet, kann die
Zusatzturbine 2 vor der Hauptturbine 17 angeordnet..(Fig.2) oder hinter diese
geschaltet sein (Fig.3).
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Für einzelne Betriebszustände der Anlage, insbesondere beim Leerlauf
oder bei. schiwachen Belastungen der Anlage, kann es vorteilhaft sein, die durch
dien Turbogebläsesatz 21 bis 24 ben3rkte überspeisung auszuschalten. Zu diesem Zweck
ist in der in Fig. 2 veranschaulichten Anlage .eine e Umeliungsleitung 25 angeordnet,
um die Zusatzturbine 2¢ kurzzuschließen. Zur Regelung ist in dieser Leitung z. B.
eine Art Schieber 26 mit einer öifnwng 27 angebracht. Diese Regelvorrichtung ist
so angeordnet, daß sie während der Norm.albelastungen der Anlage die Leitung 25
ge-
schlossen hält, sie aber bei niedrigen Belastungen öffnet, so daß dann
der größere Teil der vom Treibgaserzeuger gelieferten Gase oder auch die gesamte
Gasmenge auf ihrem Wege zur Hauptturbine i 7 diese Umgehungsleiaung 25 durchströmt.
Die Regelung oder Steuerung der Vorrichtung 26 kann an diejenige der Einspritzpumpe
i i angeschlossen sein, welche die Leistung der Anlage überwacht.
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Zum Außerbetriebsetzen der Turbogebläscgruppe 2 i bis 2.1 in der in
Fi.g.3 da. rgestelltenAi:-lage kann die Leitung 28, die den Austritt au-: der Hauptturbine
17 mit der Eilitrittsstell#2 der Zusatzturbine 2:1. verbindet, eine AuslaUt-Öffnung
29 erhalten, die durch eine geeignete Vorrichtung, z. B. mittels einer Klappe 30,
gesteuert werden kann. Diese Steuerung kann, ähnlich wie dies für die in Fig. 2
veranschaulichte Anlage beschrieben wurde, an die Steuerung angeschlossen sein,
welche die dem Treibgaserzeuger zugeführte Brennstoffmenge regelt.
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Schließlich können die beschriebenen Anlagen noch durch eine VorMchtung
zur Einspritzung von Brennstoff in die vom Treibgaserzeuger gelieferten Druckgase
ergänzt werden, deren Sauerstoffgehalt noch die Verbrennung des derart eingespritzten
Brennstoffs ermöglicht. Zweckmäßig wird dieser Brennstoff an einer Stelle e2ngespritzt,
die zwischen den beiden hin.tereina:ndergescbalteten Turbinen 17 und 24 liegt, vorteilhaft
am Austritt der Gase aus der ersten Turbine, insbesondere, wenn dies die Zusatzturbine
24 ist. Dadurch läßt sich die Höchsttemperatur wieder erreichen, die vor dieser
Turbine geherrscht hat. Die Brennstoffeinspritzung in die Treibgase erfolgt insbesondere
bei einer Überlastung der Anlage oder wenn man den Druckanstieg in ihr beschleunigen
will.
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Wie aus vorstehendem hervorgeht und wie auch bereits erwähnt wurde,
beschränkt sich 'die Erfindung keineswegs auf die Anwendungsarten und diejenigen
Ausführungsformen ihrer Einzelteile, die im vorstehenden ausführlicher behandelt
worden sind; vielmehr umfaßt die Erfindung auch Abänderungen derselben aller Art.