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Brennkraftanlage mit einer vor einer selbstansaugenden und selbstzündenden
Brennkammer angeordneten Turbine Die Irrfindung betrittt eine Brennkraftanlage,
bei der die Verbrennung von Brennstoff in einer Brennkammer erfolgt und das Druckgefälle
zwischen Brennkammer und .lußenluft für den Antrieb einer Turbine ausgenutzt wird.
Bei den meisten der bisher bekannten Gasturb nenverfähren ist eineUmsetzung der
Ectergie der heißen. aus der Brennkammer kommenden Gase in einer nachgeschalteten
Gasturbine vorgesehen. Diese Gasturbinenanlagen sind jedoch sehr verwickelt und
daher teuer. Besonders große Schwierigkeiten bereitet hier die hohe Temperatur der
Treibgase, denen der Werkstort der Turbinenschaufel nicht gewachsen ist. Man ist
daher gezwungen, die Temperatur der Treibgase, z. 1)'. durch Zumischung von kühlerer
Luft, künstlich herabzusetzen, wodurch der Wirkungsgrad der Turbinenanlage selbstverständlich
erhebliche Einbuße erlangt. Es ist zwar schon vorgeschlagen worden, bei der Verbrennung
von festen und hochaschehaltigen Brennstoffen in einer Brenrokamcner, die Turbine
vor die Brennkammer ztt schalten, um die Turbinenschaufeln vor dem Verschleiß durch
die Flugasche zu bewahren, aber dieser Vorschlag hat keine praktische Verwirklichung
erfahren, <1a infolge Beibehaltung des ganzen übrigen Aufwandes der Anlage die
Wirkungsgradeinbuße die hohen Anlagekosten unrentabel macht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den niedrigen Wirkungsgrad einer derartigen
Anlage durch wesentliche Vereinfachung im Aufbau derselben auszugleichen. Gelöst
wird diese Aufgabe erfindungsgemäß in der Weise, daß vor die Frischluft-oder Gemischzuleitung
einer selbstansaugenden und -zündenden Brennkammer eine Turbine derart angeordnet
ist, daß sie durch die von der Brennkammer
angesaugte Luft bzw.
Gemisch angetrieben wird. Durch die Vorschaltung der Turbine vor die selbstansaugende
und -zündende Brennkammer, die als Strahlrohr oder Schmidtsches Rohr bekannt ist,
wird die mittlere absolute Druckhöhe irn Strahlrohr zwar gesenkt, doch bringt dies
keine wesentliche Verschlechterung des Zündvorganges, da dieser durch Verdichtungsstöße
erfolgt. Der Vorteil der Anlage nach der Erfindung liegt einmal ,darin, daß die
energieabgebende Turbine lediglich durch die kalte Außenluft beaufschlagt wird und
die Schaufeln sowie das Laufrad kein warmfestes Material benötigen, und zum anderen
in der außerordentlichen Einfachheit ihres Aufbaues und ihrer Funktion. Es können
in der Brennkraftanlage nach der Erfindung auch alle pulverförmig festen, flüssigen
oder gasförmigen Brennstoffe zur Verwendung gelangen. Der Wirkungsgrad der Anlage
kann durch die Anwendung von Wärmeaustauschern noch wesentlich verbessert werden,
wobei der Wärmeaustauscher entweder vor oder hinter der Turbine am Anfang der Brennkammer
angeordnet .ist.
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In der Zeichnung sihd mehrere Ausführungsbeispiele einer Brennkraftanlage
nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i eine schematische Darstellung
einer Brennkraftanlage nach der Erfindung für den Betrieb mit flüssigem Brennstoff,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Brennkraftanlage nach der Erfindung mit
Wärmeaustauscher, Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie 111-III in Fig. i und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Brennkraftanlage nach der Erfindung mit
vorgeschaltetem Verdichter.
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In der Fig. i sind mit i die Brennkammer, die die Form eines Strahlrohres
hat, mit 2 die Turbine, mit 3 die Rückströmdrossel am Brennkammeranfang, mit 4 der
Brennstoffbehälter mit dem Druckzuleitungsrohr 5 und der Rückström.drossel 6 und
mit 7 die Brennstoffeinspritzleitung mit der Rückströmdrossel 8 bezeichnet. Am Ende
der Brennkammer ist ein Diffusor 9 und in der Nähe der Einspritzdüse eine Zündvorrichtung
io angeordnet.
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Um die Wirkungsweise der Brennkraftanlage nach der Erfindung näher
zu erläutern, sei die Arbeitsweise der selbstansaugenden und -zündenden Brennkammer
vorausgeschickt. Vor dem Zünden befindet sich in der Brennkammer i Außenluft. Durch
die Brennstoffeinspritzleitung 7 wird nun etwas flüssiger Brennstoff zugeführt und
mit der Luft vermischt. Das entstehende brennfähige Gemisch wird mittels der Hilfszündeinrichtung
io zur Eritflammung gebracht und erzeugt eine zum offenen Brennkammerende laufende
Überdruckwelle. Durch die Rückströmdrossel3 am Anfang der Brennkammer i wird ein
Strömen in entgegengesetzter Richtung vermieden. Am offenen Rohrende, auf welches
zweckmäßigerweise ein Diffusor 9 aufgesetzt ist, wird die vorlaufende überdruckwelle
in eine rücklaufende Unterdruckwelle verwandelt. Diese kräftigeUnterdruckwelle,
welche in dem heißen Gas zurückläuft, bewirkt die Ansaugung der Frischluft für die
folgende Verbrennung durch die Rückströmdrossel 3 und auch die Zündung des neuen
Gemisches. Eine Unterdruckwelle verformt sich bei längerer Laufzeit in einem Rohr
nämlich derart, .daß sich ihr nachfolgender Ast aufsteilt und schließlich in einen
Verdichtungsstoß übergeht. In der Verdichtungsstoßfront tritt eine erhebliche Temperatursteigerung
ein. Hat nun die rücklaufende Unterdruckwelle genügend Frischluft angesaugt und
wird daraus durch Zufuhr von Brennstoff ein zündfähiges Gemisch erzeugt, so bewirkt
selbst ein Verdichtungsstoß geringer Sprunghöhe an der Grenze zwischen heißem Abgas
und kaltem Gemisch eine Zündung. Diese Brennfront durchläuft nun das übrige zündfähige,
frische Gemisch und bewirkt wiederum eine zum offenen Rohrende vorlaufende Überdruckwelle.
Danach beginnt das Spiel von neuem.
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Die Kraftstoffzufuhr kann unterbrochen oder auch ununterbrochen erfolgen.
Die Erzeugung des Einblasedruckes bei flüssigen Brennstoffen wird zweckmäßig unter
Verwendung eines Rückströmventils oder einer Drossel 6 durch die Brennkammer i selbst
bewirkt, wenn ein druckdichter Brennstoffbehälter 4 Verwendung findet. Es muß lediglich
darauf gesehen werden, daß die Druckentnahme etwa in der Mitte des Brennkammerrohres
i erfolgt, wo die vorlaufenden Druckwellen die größte Amplitude haben und durch
rücklaufende Unterdruckwellen am geringsten gestört werden.
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Schaltet man entsprechend der Erfindung vor die Rückströmdrossel 3
der Brennkammer i eine Turbine 2, so kann diese zur Energieabgabe herangezogen werden.
Die rücklaufende Unterdruckwelle, welche normalerweise nur das Ansaugen der Frischluft
bewirken soll, müßte eigentlich an der Saugöffnung in eine vorlaufende Druckwelle
verwandelt werden, d. h. die angesaugte Luft wird vor der Zündung etwas verdichtet.
Beim Vorschalten einer Turbine 2 soll die Unterdruckwelle aber vollständig absorbiert
werden. Dies geschieht durch geeignete Abstimmung der Turbinendüsen- und Brennkammerquerschnitte.
Es ist bei der Brennkraftanlage nach der Erfindung zweckmäßig, die kinetische Energie
der vorlaufenden überdruckwellen in einem Diffusor 9 am Brennkammerende mitzuverwerten
und auf die rücklaufende Unterdruckwelle zu übertragen.
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Die Rückströmdrossel3 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel als
Mehrfachdrossel ausgebildet, bei der eine Anzahl von Rohren 12 vom Turbinengehäuse
13 zu einem Ringraum führen und quer zur anfänglichen Strömungsrichtung ausmünden.
Man kann natürlich auch andere Rückströmdrosseln geeigneter Ausführung verwenden.
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Die Abnahme der Nutzenergie erfolgt am Flansch i i der Turbine 2.
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Bei der Brennkraftanlage nach der Fig. 2 ist ein Wärmeaustauscher
14 zwischen der Turbine 2 und der Rückströmdrossel 3 angeordnet, in dem ein Teil
der Wärme der heißen Abgase aus, der Brennkamrner
r an die angesaugte
Luft bzw. Gemisch vor vier Rückströmdrossel 3 abgegeben wird. Der Wärmeaustauscher
14 kann gegebenenfalls auch vor der Turbine 2 angeordnet werden. Mit einem derartigen
Wärmeaustauscher läßt sich der Wirkungsgrad der 13renrikraftanlage wesentlich verbessern.
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Hei Verwendung von leiclitfliichtigen flüssigen bzw. gasförmigen Hre-nnstoffen
kann die Gemischbildung in einem Vergaser oder einem Gas-Luft-\lisclier vor der
Turbine stattfinden, so daß das Brenngemisch durch das Turbinenrad und die Riickströrndrossel
liiridurchgesaugt wird.
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In besonders gearteten Fällen ist es vorteilhaft, zwecks 1,-Irreichung
eines höheren Wirkungsgrades einen etwas größeren Aufwand in Kauf zu nehmen und
der Turbine einen Verdichter vorzuschalten, der das Druckniveau vor der Turbine
hebt und das Wärmegefälle in der Turbine vergrößert.
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lri der Fig.4 ist eine solche Anlage in schematischer Weise dargestellt.
Die gleichen Teile der .lnlage sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in den Fig.
1 bis 3 bezeichnet. Mit der Turbinenwelle 15 ist die Welle 16 eines Verdichters
17 verwunden. Die verdichtete Luft bzw. Gemisch wird' durch die Leitung 18 über
den Wärmeaustausclier i9 der Turbine 2 zugeführt. Durch diese \laßnalinie kann der
Wirkungsgrad und die Leistung der ganzen Anlage vergrößert werden, da das Wärmegefälle
in der Turbine größer wird infolge höherer Gaseintrittstemperatur und höheren Druckes
vor der Turbine als bei der Anlage ohne Vorverdichtung. Die Gaseintrittstemperatur
in der 'furbine kann aber immer noch niedriger gehalten werden als bei einer der
Turbine vorgeschalteten Brennkammer, wodurch keine so hohen Anforderungen an die
Wärmefestigkeit der Turbinenschaufeln gestellt werden.