DE855022C

DE855022C - Treibmittelgenerator fuer Gasturbinenanlagen

Info

Publication number: DE855022C
Application number: DEB3841A
Authority: DE
Inventors: Alfred Buechi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1947-02-19
Filing date: 1949-01-01
Publication date: 1952-11-10
Also published as: DK77814C; AT182267B; CH315000A

Description

Treibmittelgenerator für Gasturbinenanlagen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Treibmittelgenematoren für Gasturhinenanlagen, bestehend aus einer ViertaktbrennIkraftmaschine mit Ladepumpen zur Förderung von Aufladeluft für dieEinlaBperiode derBrennkraftmaschine und mindestens einer über den Aufladedruck verdichtenden Kolbenpumpe zur Förderung von zusätzlicher Luft. Sie besteht im besonderen darin, daB die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine an ihrem Stirnende mindestens eine, je mindestens zwei doppelt wirkende, in Tandembauart übereinander angeordnete Kolbenverdichter umfassende Zusatzluftpumpe antreibt.
Die das Treibmittel fördernde Brennkraftmaschine kann aus mehreren, nebeneinanderliegenden Zylinderreihen besteben, und von jeder Reihe kann mindestens eine, je mindestens zwei doppelt wirkende, im Tandem übereinander angeordnete Kolbenverdichter umfassende Zusatzluftförderpumpen angetrieben werden.
Die Kurbelwellen der Brennkraft- und Zusatzluftpumpenzylinderreihen werden vorteilhaft durch Zahnräder derart miteinander gekuppelt, daB die .zwischen den Zylinderreihen entstehenden, Ungleichheiten in den Drehmomenten sich weitgehend ausgleichen.
Die Zahnradketriebe können so ausgebildet sein, daß dadurch die Kurbelwellen der zwei Bvennkraftzylinderreihen entgegengesetzte Drehrichtungen erhalten, und die Kurbeln der je quer zur Kurbelwalle liegenden Brennkraftzylinder so gestellt und ihm Zündfolgen derart geordnet sein, daß dieselben mindestens zeitlich annäherndle Übereinstimmung bezüglich ihrer Arbeitsphasen (Kompression, Vercbr@ennung, Expansion usw.) zeigen.
Mindestens eine von der Verlängerung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetmiebene Zusatzluftpumpe kann als mindestens zweizylindrige, doppelt wirkende Luftpumpe mit Kolben in Tandemanordnung und so kurzhubig ausgebildet werden, daß diese Pumpe annähernd die gleiche Bauhöhe wie die Brennkraftmaschine aufweist.
Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes können an jedem Brennkraftmaschinenende mindestens eine doppelt wirkende Zusatzluftpumpe in Tarndembauart besitzen und wobei die beiden Pumpen in eine gemeinsame Sammelleitung der Brennkraftmaschine arbeiten.
Einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Figuren dargestellt. Gleiche Zahlen bzw. Buchstaben bezeichnen gleiche oder ähnliche Teile bzw. Zustände. An Hand der Figuren wird auch die Arbeitsweise erläutert.
Fig. i zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Zylinder einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Reihenbrennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle quer zur Achse der letzteren und Fig. 2 einen gleich gelegten Schnitt durch eine solche, welche zwei Zylinderreihen und zwei Kurbelw=ellen aufweist; Fig. 3 stellt partielle Vertikalschnitte in Richtung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine sowie Längsansichten derselben dar; Fig.4 zeigt Draufsichten auf eine Sechzehnzylinderbrennkraftmaschine mit zwei Kurbelwellen, sie enthält auch einen Horizontal-schnitt durch die Zylinderdeckelpartie von vier Zylindern der Brennkraftmaschine; Fig. 5 zeigt links einen Vertikalschnitt und rechts eine Seitenansicht mit partiellem Schnitt durch eine Zusatzluftpumpe, welche mit den Brennkraftzylindern zusammenarbeitet; die Fig.6 und 7 stellen Draufsichten auf komplette Gasgeneratoranlagen in ihrem Zusammenbau mit der Arbeit nach außen abgebenden Gasturbine bzw. Gasturbinen dar. Die letztere Darstellung in Fig. 7 bezieht sich auf eine Kraftanlage zum Antrieb einer Lokomotive.
In Fig. i ist i' ein Zylinder einer als Gasgenerator wirkenden Viertaktbrennkraftmaschine einfach wirkender Bauart, 2' seinArbeitskolben und 3' seine Kolbenstange. Der Kolben der Brennkraftmaschine ist über die Kolbenstange 3' mit dem Kolben 5' einer Ladepumpe verbunden, welcher gleichzeitig als Gleitbahnführung einen Kreuzkopf 4 besitzt. Der Pumpenkolben 5' könnte auch als doppelt wirkender Stufenkolben ausgebildet sein, wobei der untere Kolbenteil als Kreuzkopf dient. 6 ist die Kurbelwelle der Maschine und 7 die Schubstange zum Zylinder i', durch welche die Kräfte von den Kolben 2' bzw. 5' auf die Kurbelwelle 6 übertragen werden. 8 ist der obere Kurbelgehäuseteil der Maschine und 9 ihre Grundplatte. In den Zylinder der Brennkraftmaschine ist mindestens ein Einlaßorgan io und mindestens ein Auslaßorgan i i angeordnet, welche von der Steuerwelle 12 aus mittels Nocken 13, 13' und dem Steuergestänge 14, 14 betätigt werden.
In den Ladeluftpumpenzylinder 15' wird die Aufladeluft durch die Öffnung 16' und die Saugklappen U' mittels des Kolbens 5' eingesaugt und durch die Klappen 18' in einen für mindestens einen Teil der Brennkraftmaschine gemeinsamen Sammelraum i9 hineingedrückt. Sowohl die Brennkraftzylinder i' als auch ihre Zylinderdeckel 20', sowie die Ladepumpenzylinder 15' können, wie gezeichnet, mit einer Wasserkühlung versehen sein. Sie könnten aber auch mit Luftkühlung arbeiten.
Ferner ist nun in den Sammelrahm i9 vor dem Einlaßorgan io pro Brennkraftzylinder mindestens ein Kolbenschieber 21 eingebaut, der sowohl den Übertritt der Ladeluft aus dem Raum i9 zum Einlaßventil io als auch denjenigen von Zusatzluft aus dem obenkegenden Raum 22 zum gleichen Einlaßventil io steuert. Dabei ist der Kolbenschieber 21 so ausgebildet, daß er eine innere zylindrische Führung 23 besitzt, deren innerer Durchmesser so gewählt und gegen den Raum 22 so abgedichtet ist, daß trotz höheren Zusatzluftdruckes im Raum 22 gegenüber dem tieferen Ladedruck im Raum i9 annähernd gleiche Kräfte von oben und von unten auf den Kolbenschieber 21, 23 ausgeübt werden. Zu diesem Zweck greift ein feststehendes Führungsstück 24, dessen Innenraum z. B. mit der Atmosphäre verbunden ist, von oben in den Kolbenschieber 21, 23 hinein. Am äußeren Schieberteil 21 und am inneren Schieberteil 23 können Kolbenringe 25 bzw. 26 eingebaut sein. Die Steuerung des Kolbenschiebers 21 kann mittels Nockenscheiben, wie dargestellt, z. B. ebenfalls von der Nockenwelle 12 der Brennkraftmaschine aus erfolgen. Dafür können in bekannter Art dort ein Nocken und ein entsprechendes Steuergestänge 27, 28 angeordnet sein. 32 ist die Abgasleitung zur Gasturbine.
In Fig. 2, welche einen Vertikalschnitt einer Brennkraftmaschine mit zwei nebeneinanderliegenden Zylinderreihen darstellt, sind die bei beiden Zylinderreihen gleichen oder ähnlichen Teile durch an den Hinweiszeichen oben bzw. unten angebrachten Indizes unterschieden, z. B. die Zylinder der Brennkraftmaschine mit i' und i t, die Kolben mit 2' und 21, die Kolbenstangen mit 3' und 3" die Kreuzköpfe mit ¢' und 41, die Ladeluftpumpenkolben mit 5' und 51 und so fort.

Der Sammelraum i9 ist zwischen den beiden Zylinderreihen angeordnet. In denselben strömt die Ladeluft durch die Klappen 18' und 181. Sie wird aus dem Raum i9 bei geöffnetem Kolbenschieber 21 vor die Einl.aßventile to' bzw. iot geleitet. Der Kolbenschieber 21 ist ähnlich, wie in Fig. i dargestellt, ausgebildet. Nur wird damit die Ladeluft von unterhalb her mittels des gleichen Schiebers 21 zu beiden Zylindern i' und 11, d. h. ihren Einlaßventilen iö und iot geleitet. Es wird aber auch der Zutritt der Zusatzluft, welche durch die Rohrleitung 22 von oben erfolgt, durch die obere Kante des

Kolbenschiebers 21, uti;; zwar auch wieder für die

beiden neheneinanderliegenden Zylinder i' und il

bzw. die Einlaßventile io' und iol gemeinsam ge-

steuert.

Die -seiden Kurbelwellen 6' und 61 können mittels

Zahnrädern gekuppelt sein, z. 13. durch zwei Rad-

paare 2d', 291 wild 30' tirid 30,. Die beiden Kurlyel-

wellen drehen dann finit gleicher Drehzahl. Dabei

wird vorteilliafterweise, wie aus Fig.2 ersichtlich,

ein durch die Zahnradkupplung sich ergebender,

gegenteiliger Drehsinn ihrer Kurbelwellen erzeugt.

Die Kurbeln vc»i zwei in den beiden Reihen gegen-

überliegenden Brenlikraftzylindern können dabei so

gestellt werden, (Maß in diesen Zylindern gleichzeitig

die gleicheil Vorgänge wie Ansaugen. Kompression,

Verbrennung, Expansion usw. stattfindet. Die seit-

lichen Drücke auf die Kreuzköpfe . und 41 dieser

13retirikrriftzvlin(ler Belten sich dann in bezug auf

das -lascliitieii;;estell 8 auf. Es entstehen deshalb

keine Horizotitalkrüfte auf (las Maschinengestell.

Dies ist besonders für den Einlau einer solchen

:-Maschine in citi Fahrzeug sehr wichtig.

Von den \\'ellen (leg Zahnräder 30' und 301

können mit Vorteil llilfsaggregate, wie Kühl-

wasserpunipen, Elektrogeneratoren, Ventilatoren

tisw. angetriet><n werden. Dabei ist es zweckmäßig,

diesen Wellen durch geeigsiete Wahl ihrer Zahnrad-

durchmesser liöliere Drehzahlen als (leg Brennkraft-

niaschisie zti erteilen.

Die von den Ladeluftpumpen in den Raum i9

geförderte Ladeluft kann, außer zur Ladung der

13rennkraftzvlinder i', il usw. ebenfalls auch als

Ansaugeluft-für die Zusatzluftpumpe dienen, so daß

die Ladepumpe zugleich die erste Stufe der Zusatz-

hiftpunipe bildet. Wird Ziese Zusatzluftpumpe an

einem Stirnende der Brennkraftmaschine angeord-

net. so kann (leg l`l)ertritt der Ladeluft aus (lern

Sammelraum io in die Zusatzluftpumpe durch in

(leg Stirnseite (res :Maschinengestells selbst angeord-

nete Öffnungen 31 erfolgen, so daß außerhalb der

13rentikraftinascliine liegende Luftleitungen ent-

behrt werden 1<ölinen.

111 Fig. 3 rechts erkennt inan den Zylinder i', den

Kolben2' und die Kolberistange3' eines Brennkraft-

zvlinders. -Man sieht dort auch das hier zentral

angeordnete Bremistoftventil 53'; ferner den Lade-

luftpumlienlcoll)en 5' und seinen Kreuzkopf 4' sowie

die Schubstange 7' und die Kurbelwelle 6. Neben

dein geschnittenen Zylinder i' sieht man beim Zy lin-

der i" einen Schnitt durch die Zusatzluftleitung 22

sowie durch die Schielter 21 bzw. 21'. Es sind hier

pro Zylinder zwei in der Achsrichtung der 'Maschine

hintereinanderliegende Schieber 21 bzw. 21' ange-

ordnet.

Handelt es sich um eine -Maschine nach Fig. 2, so

kann jeder dieser zwei Kolbenschieber zwei quer

zur Kurbelwelle angeordnete Brennkraftzylinder i'

und il bedienen. Die -zwei Kolbenschieber 2i und

2i' bedienen dann also zwei Bremikraftzylinder.

Beim Zylinder i" sind die Kolbenschieber 21

und 21' in einer gehobenen Lage gezeichnet, so daß

die Ladeluft von unten aus dem Raum i9 zu den

nichtgezeichneten Einlaßventilen iö und iol über-

tretest kann. Beim Brenrikraftzvlinder i"' sind die

Kolbenschieber- 21 und 21' in einer tieferen Lage

gezeichnet, so daß Zusatzluft aus der Leitung 22

nach unten durch die Führung 24 und 2 zu den

Eitilaßventilen io' und iol gelangt.

Die Fig. 4 stellt die Draufsicht auf eine zwei-

reiliige Gasgeneratormaschine mit sechzehn Brenn-

kraftz_\-lisidersi dar, von welchen je acht in einer

Reibe angeordnet sind und auf eine besondere

Kurbelwelle treiben. i', i" i'i"". i""' i"""

i"""' und i"""" sind die Zylinder einer Reihe und

il, 1." 13, il, 15, 16, 171 1s die Zylinder der zweiten

Reihe.

:\n dein einen Stirnende der Brennkraftinaschine

ist eine Zusatzluftpumpe 33 angebaut. Sie besitzt

vier, vorzugsweise doppelt wirkende Zylinder, von

denen je zwei nebeneinander angeordnet sind und

von der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschinen-

liälfte angetrieben werden. Es können auch Zylinder

im Tandem übereinander angordnet sein. Ihre

Ansaugluft erhalten diese Zusatzpumpenzylinder,

wie dies in 1;11-. 2 dargestellt ist, aus dein Raum i9

der Brennki-aftinascliine mittels der Öffnungen 31.

Ihre F<ir<lerluft geben sie durch die Leitung 22 an

die Kolbesischieher 21 und 21' ab. Aus dein Ilori-

zontalsclniitt durch die zwei hinten gelegenen Zylin-

der 17. 1, bzw. 1"""'. i"""" bzw. durch die Zylinder-

deckel 2o", 20sieht man, wie die Ladeluft und

auch die Zusatzluft durch die Kolbenschieber 21

Und 21' zu den Einlaßventilen io' und iol gelangt.

Von diesen Ventilen, wie auch von den Auslaß-

ventilen i i' und 111, sind je zwei Stück pro Brenn-

kraftzyIisider vorgesehen. Die Auslaßventile ii'

und r t- geben die Abgase beispielsweise durch die

zwei Sammelleitungen 32 und 3-2t an (-i° nicht-

gezeiclinete (lasturl)ine ab.

Die Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer

Zusatzluftpumpe 33 nach Fig. 4. Von der Verlänge-

rung (leg Kurbelwelle 6' bzw. 61 werden zwei

doppelt wirkende Tandemluftpumpen 34, 34' bzw.

35, 35' angetrieben. Diese erhalten ihre Ansaugluft

durch die Öffnungen 31', welche mit den Öffnungen

31 ini Maschinengestell (Fig. 2) korrespondieren,

d.li. in vorverdichteter Form. Diese Luft tritt durch

die Sau=ventile 36 in die Zylinderräume ein und

durch die Druckventile 37 wieder aus und in die

Leitung 22 über. Die Kurbeln 38 und 39 sind vor-

teilhafterweise in einem ganz bestimmten Winkel

versetzt gegenüber den Kurbeln der Brennkraft-

, angeordnet.

An der Kurbelwelle 6 (Fig. i) bzw. den Kurbel-

wellen 6' und 61 (Fig.2 bzw. Fig.5), werden vorteil-

hafterweise Schwungräder 4o bzw. 40' und 401

angeordnet. Dies, z. B. wie in Fig. 5 gezeichnet,

damit dadurch die auf jede Kurbelwelle 6' und 61

wirkenden Umfangskräfte sich möglichst weit-

gehend ausgleichen und z. B. nur noch kleine Kräfte

zwecks weiteren Ausgleichs durch die Zahnrad-

kupplung 29', 291, 30' und 301 (Fig. 2) zwischen den

beiden Kurbelwellen ausgeglichen werden müssen.

Die Fig. 6 zeigt ganz schematisch eine Draufsicht

einer finit Gasgenerator arbeitenden Gasturbinen-

anlage. Es ist hier ein Zweiwellenmotor mit 2 X 8

Zylindern, il bis i8 bzw. i' bis i"""" als Brennkraftgasgenerator vorgesehen. Die Zusatzluft wird ihm von der Zweiwellenpumpe 33 (Fig. 4) zugeführt. Die Abgase des Brennkraftgasgenerators verlassen dieselbe durch vier Abgasleitungen 32 und 32' bzw. 321 und 322, welche die Auspuffgase von je vier Brennkraftzylindern aufnehmen und zur Gasturbine 5o führen. Dabei wird man zweckmäßig die Abgasleitungen derart in Gruppen zusammenfassen, daß .durch das Auspuffen einzelner Zylinder keine Störung der Spülung in andern Zylindern eintritt. Die Gasturbine ist mit einer schematisch angedeuteten Reguliervorrichtung 5 i', 511 versehen. Es kann ihr aus der Zusatzluftleitung 22 auch direkt Zusatzluft durch die Leitung 52, z. B. für Überlastzwecke zugeleitet werden.

Die Fig. 7 zeigt eine Gasturbinenanlage für eine Lokomotive mit direktem Antrieb der Triebräder 59' und 591 durch Kuppelstangen 58' und 581 über Zahnradgetriebe 57' und 57, von zwei Gasturbinen 5o' und 5o1 aus. Es ist wieder ein 2 X 8-Zylinderbrennkraftgasgenerator vorgesehen mit Zylindern il bis i8 und i' bis Je vier Zylinder einer Reihe und je vier Zylinder der anderen Reihe geben ihre Abgase gemeinsam durch die Leitung 32' bzw. 321 an eine der beiden Gasturbinen 5ö und So, ab. Mindestens eine der letzteren ist sowohl als Vor- als auch Rückwärtsturbine gebaut, so daß die Lokomotive nur durch veränderte Beaufschlagung der Gasturbine ihre Fahrtrichtung wechseln kann. Die Gasturbinen treiben über Zahnradgetriebe 57' und 57, mittels Kuppelstangen 58' und 581 auf die Triebräder 59' und 591 des Fahrzeuges. Durch die Regelorgane 54' und 541 kann die Beaufschlagung der Turbinen für Vor- und Rückwärtsgang eingestellt und unter Umständen auch reguliert werden.
In Fig. 7 ist noch dargestellt, wie Hilfsaggregate, Elektrogeneratoren 55, Wasserpumpen 56 usw. von der Brennkraftmaschine aus angetrieben werden können.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Treibmittelgenerator für Gasturbinenanlagen, bestehend aus einer Viertaktbrennkraftmaschine mit Ladepumpen zur Förderung von Aufladeluft für die EinlaBperiode der Brennkraftmaschine und mindestens einer über den Aufladedruck verdichtenden Kolbenpumpe zur Förderung von zusätzlicher Luft, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle der Brennkraftmasch-ine an ihrem Stirnende mindestens eine je mindestens zwei doppelt wirkende, in Tandembauart übereinander angeordnete Kolbenverdichter umfassende Zusatzluftpumpen antreibt.
2. Treibmittelgenerator für Gasturbinenanlagen nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die das Treibmittel fördernde Brennkraftmaschine aus mehreren nebeneinanderliegenden Zylinderreihen besteht und von jeder Reihe mindestens eine je mindestens zwei doppelt wirkende, im Tandem übereinander angeordnete Kolbenverdichter umfassende Zusatzluftförderpumpen angetrieben wird.
3. Treibmittelgenerator für Gasturbinenanlagen nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwellen der Brennkraft-und Zusatzluftpumpenzylinderreihen durch Zahnräder derart miteinander gekuppelt sind, daß die zwischen den Zylinderreihen entstehenden Ungleichheiten in den Drehmomenten sich weitgehend ausgleichen.
4. Treibmittelgenerator für Gasturbinenanlagen nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnradgetriebe so ausgebildet sind, daß dadurch die Kurbelwellen der zwei Brennkraftzylinderreihen entgegengesetzte Drehrichtung erhalten und die Kurbeln der je quer zur Kurbelwelle liegenden Brennkraftzylinder so gestellt sind und ihre Zündfolgen sich derart folgen, daß dieselben mindestens zeitlich annähernde Übereinstimmung ihrer Arbeitsphasen (Kompression, Verbrennung, Expansion usw.) aufweisen.
5. Treibmittelgenerator für Gasturbinenanlagen nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine von der Verlängerung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebene Zusatzluftpumpe als mindestens zweizylindrige, doppelt wirkende Luftpumpe mit Kolben in Tandemanordnung und so kurzhubig ausgebildet ist, daß diese Pumpe annähernd die gleiche Bauhöhe wie die Brennkraftmaschine aufweist.
6. Trei@bmittelgenerator für Gasturbinenanlagen nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Brennkraftmaschinenende eine doppelt wirkende Zusatzluftpumpe in Tandembauart angeordnet ist, wobei die beiden Pumpen in eine gemeinsame Sammelleitung der Brennkraftmaschine fördern.
7. Treibmittelgenerator für Gasturbinenanlagen nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung der Abgase durch getrennt voneinander je auf der Außenseite der Brennkraftzylinder angeordnete Leitungen zur Gasturbine erfolgt.