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Verfahren und Vorrichtung zum Betriebe Feuergase durch Verpuffungen
herstellender Treibgaserzeuger Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betriebe Feuergase
durch Verpuffungen herstellender Treibgaserzeuger und Vorrichtungen zur Durchführung
derartiger Verfahren.
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Entsprechend der Möglichkeit, den hohen Explosionsdruck, unter dem
derartige Feuer- oder Treibgase erzeugt werden können, in Strömungsenergie umzusetzen
und sich zu dieser Umsetzung Düsen-und Beschaufelungsanordnurgen zu bedienen, hat
man bereits Feuergasgefälle, gegeben durch Druck, Temperatur und Wärmeinhalt der
Feuergase (Enthalpie), in Turbinenanordnungen abgearbeitet und die dabei erzeugte,
mechanische Energie entweder als äußere Arbeit der Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage
abgegeben oder sie für die Zwecke der Anlage selbst, etwa zur Verdichtung der Betriebsmittel,
wie beispielsweise Luft und Brenngas, verwandt.
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Dabei trat im Laufe der Entwicklung das gleiche Bestreben wie bei
Dampfturbinen oder nach dem Gleichdruckverfahren arbeitenden Gasturbinen auf, Drücke
und Temperaturen immer weiter zu steigern, um den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern.
Es wuchs also, der- Feuergasgesamtenthalpie entsprechend, die Differenz zwischen
dem vor den Turbinenrädern herrschenden Beaufschlagungsdruck und dem Gegendruck
hinter den Turbinenrädern, in Strömungsrichtung der Feuergase gesehen, und sie erreichte
schließlich Werte, welsche bei gefällemäßig einstufiger Abarbeitung nicht
mehr
zufriedenstellend zu- bewältigen Waren. Man ging daher zu stufenförmigen Unterteilungen
des Gesamtgefälles dem Druck nach über und paßte die Turbinenräder dem Zustand der
Feuergase ir, den einzelnen Gefällestufen nach Möglichkeit an. Das in den einzelnen
-Verptiffungskammern je Verpuffung erzeugte Feuergasgesamtvolumen wurde dabei zunächst
noch nicht unterteilt. Später wurde zwar bekannt, auch die Feuergasgesamtmenge selbst
in -Teilmengen zu unterteilen, wobei man für jede Teilmenge eine ihrem Zustand möglichst
angepaßte, besondere Düsen- und Beschaufelungsänordnung vorsah, die ein besonderes,
gesteuertes Abschlußorgan zur Verpuffungskammer voraussetzte. Gegenüber der so erforderlich
werdenden Vielzahl von Turbinenstufen und Steuerorganen beschränkte man sich praktisch
jedoch darauf, nur die Feuergase gesondert zu verarbeiten, die zur - Vorbereitung
der Kammer für die nächste Ladung als sogenannte Restfeuergase aus der Verpuffungskammer
entfernt werden mußten, damit gute Füllungsverhältnisse entstehen.
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Eine derartige Verpuffungsbrennkraftturbinenanordnung ist in Fig.
i der Zeichnung veranschau: licht. Man erkennt die Verpuffungskammer i, das Ladelufteinlaßventil2,
das Nachladeluftventil3, das Brenngaseinlaßventil4, die Zündungseinrichtung 5
-und das Düsenventil 6. Dieses ist in gerade geöffnetem Zustand dargestellt.
Die so entlassenen, hochgespannten und hocherhitzten Feuergase strömen der Düsenanordnung
I zu, die dem als erste Turbinenstufe ausgebildeten zweikränzigen Curtisrad 7 vorgeordnet
ist. Die zweite Turbinenstufe wird von dem ebenfalls zweikränzigen Curtisrad 8 gebildet.
Dem Curtisrad 8 ist dabei zunächst die Düsenanordnung IIb vorgeordnet, die von den
Restfeuergasen beaufschlagt wird; zu diesem Zweck ist in der Verbindungsleitung
9 zur Verpuffungskammer I zu das gesteuerte Auslaßventil io vorgesehen.
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Außer der Düsenanordnung IIb für die Restfeuergase ist eine zweite
Düsenanordnung IIa vorgesehen, welche zur Verarbeitung der aus dem Rad 7 abströmenden
Feuergase dient. Damit diese Gase der Radanordnung 8 bei möglichst gleichbleibendem-Druck
zuströmen, steht der Düsenvorraum i i vor der Düsenanordnung IIa über den Stutzen
12 mit einem Ausgleichsbehälter 13 in Verbindung, der zur Verhinderung unnötiger
Wärmeübergänge in der Ausströmleitung 14 liegt. Der Ausgleichs= behälter 13 nimmt
also die zunächst noch mit verhältnismäßig hohem Druck aus Rad 7 in den Düsenvorraum
i i überströmenden Feuergase auf und gleicht dadurch die Druckspitze aus. Andererseits
speichert er. die Feuergase und gibt sie beim Absinken des Druckes entsprechend
dem Verlauf der Expansionslinie mit entsprechend hochgehaltenem Druck wieder an
die Düsenanordnung II., ab.
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Das Druck=Zeit-Diagramm eines derartigen Vorganges ist in Fig. 2 veranschaulicht,
in der die ausgezogen gezeichnete Linie den Druck in der Verpuffungskammer- i wiedergibt,
während die gestrichelt gezeichnete Linie den vor der Düsenanordnung IIä auftretenden
Drücken entspricht. In Fig. 2 erkennt man den auf die Zündung im Zeitpunkt 15 folgenden
Druckanstieg und die bei Öffnung des Düsenventils im Zeitpunkt 17 einsetzende Expansion
18. Im Zeitpunkt i9 schließt sich das Düsenventil 6, im Zeitpunkt 2o das Auslaßventil
1o. Schon vorher hatte sich das Ladeluftventile geöffnet, um die Restfeuergase über
Leitung 9 und das noch offene Auslaßventil io zur Düsenanordnung IIb zu zu entlassen.
Kurze Zeit nach dem Zeitpunkt 2o öffnet sich das Brenngasventil 4, und es schließt
sich das Ladeluftventile. Unter der Einwirkung des sich hierauf öffnenden Nachladeluftventils
3 findet der Druckanstieg in der Kammer statt, -der bei 21 veranschaulicht ist.
Man erkennt, daß der Ausgleichsbehälter 13 nur noch unwesentliche Schwankungen des
Feuergasdruckes 22 vor der Düsenanordnung IIa bewirkt und daß günstige Radwirkungsgrade
wenigstens in der Turbinenstufe 8 infolge Beaufschlagung mit im Druck im wesentlichen
ausgeglichenen Treibgasen erwartet werden können.
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Eine nähere Betrachtung des in Fig.3 veranschaulichten entsprechenden
Q-h-Diagrafnms zeigt jedoch, .daß diese an den reinen Druckverlauf geknüpften Erwartungen
nicht in dem erwarteten Ausmaß eintreffen. In dem. Q-V-Diagramm der Fig. 3, welches
das übliche Q-S-Entropiediagramm, z. B. nach Pflaum, mit den prozentual ausgeströmten
Feuergasmengen, unter Berechnung der Feuergasgesamtmenge je Verpuffungskammer mit
ioo°/o, als Abszissen vereinigt, wobei die Ordinaten dem Wärmeinhalt der Feuergase
in kcal/Nm3 entsprechen, erkennt man nämlich, daß die gestrichelt gezeichneten,
der gestrichelten Linie 22 der Fig. 2 entsprechenden Linien 22, oder 22b durchaus
nicht als Parallele oder annähernd Parallele zurr Abszissenachse auftritt, was nötig
wäre, wenn das Rad 8 gleiche oder annähernd gleiche Feuergasgefälle verarbeiten
sollte. Man beobachtete im Gegenteil einen ziemlich stark ansteigenden Verlauf dieser
strichpunktierten Linie, woraus hervorgeht, daß sowohl das Rad 7 als auch das Rad
8 Feuergase stark wechselnden Gefälles verarbeiten müssen. Die gestrichelt gezeichnete
Linie 22, läßt aber auch erkennen, daß bei dem gewählten Düsenquerschnittsverliältnis
von f, für die Düsenanördnung I und fiia für die Düsenanordnung IIa mit fii.a :
f1 = 1,99 die Gefälle im Bereich IIa für das zweikränzige Curtisrad sehr klein würden,
so daß dessen Enthalpieanteil ungenügend Würde. Diesen Nachteil kann man zwar durch
Veränderung des Verhältnisses der engsten Düsenquerschnitte fna : f1 beheben. So
zeigt die gestrichelt gezeichnete Linie 22b den Trennungslinienverlauf zwischen
den Flächen I und Ha bei einem Verhältnis faa : fi = 1,37. Aber an
der grundsätzlichen Charakteristik der Trennungslinien wird dadurch nichts Wesentliches
geändert, sondern es verbessert sich nur die Leistungsverteilung in den Flächenbereichen
I und IIm.
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Im einzelnen erkennt man die Zustände. der-aus der Düse I strömenden
Feuergase innerhalb der mit I bezeichneten und von rechts oben nach links unten
schraffierten Arbeitsfläche, die Zustände der
aus der Düse IIQ strömenden
Feuergase innerhalb der mit IIa bezeichneten und von links oben nach rechts unten
schraffierten Arbeitsfläche und die Zustände der aus der Düse IIb strömenden Feuergase
innerhalb der mit IIb bezeichneten und von oben rechts nach unten links schraffierten
Arbeitsfläche. Der Flächeninhalt des Zwickels 23 entspricht dem Wärmeverlust,
der beim Überströmen der Feuergase vom Auslaßventil io zur Düse IIb eintritt. Angedeutet
ist weiter das Druck- und Temperaturliniennetz, das jedoch nur für die vom Punkte
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aus senkrecht nach unten gehenden Doppellinie gilt, wobei diese Ordinate
den auftretenden adiabatischen Feuergasgefällen entspricht.
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Di2` in Fig. 3 dargestellten Verhältnisse lassen bereits die der Erfindung
zugrunde liegende Aufgabenstellung erkennen; denn Fig. 3 zeigt, daß es trotz stufenförmiger
Unterteilung der Feuergasgefälle, sogar trotz Unterteilung der bei einer Ver= puffung
erzeugten Feuergasgesamtmenge, mit den Mitteln eines Ausgleichsbehälters (i3 in
der Anlage nach Fig. i) nicht gelungen ist, den Radanordnungen (7 und 8) gleiche
oder auch nur annähernd gleiche Feuergasgefälle zuzuordnen. Denn im allgemeinen
soll angestrebt werden, daß die abgearbeiteten Feuergasgefälle höchstens um 45'0/a
des optimalien Gefälles, für das das Turbinenrad ausgelegt ist, schwanken, wobei
die größte Schwankung nach" oben höchstens 30'0/d, nach unten höchstens 15 '% betragen
soll. Nur dann können befriedigende Radwirkungsgrade erwartet werden, während andernfalls
auch die thermodynamisch -günstigsten Prozesse schlechte Radwirkungsgrade so in
Mitleidenschaft gezogen werden, daß keine günstigen Gesamtwirkungsgrade mehr zu
erwarten sind.
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Erfindungsgemäß ist die grundsätzliche Lösung dieses Problems gefunden
und durch zahlreiche Rechnungen und Versuche als gelungen bestätigt worden.
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Die Lösung des hiernach entwickelten Problems kennzeichnet sich, ausgehend
von Verfahren zum Betriebe Feuergase durch Verpuffungen herstellender Treibgaserzeuger
mit Abarbeitung von Feuergasgefälle in Düsen- und Beschaufelungsanordnungen und
mit Absenkung des in Strömungsrichtung des Feuergases hinter einer Beschaufelungsanordnung
bewirkten Gegendruckes während oder nahezu während der Dehnung der Feuergase in
der Düsen- bzw. Beschaufelungsanordnung, erfindungsgemäß durch eine Bestimmung des
Gegendruckv-erlaufes, bei dem in der Düsen- bzw. Beschaufelungsanordnung gleiche
oder praktisch gleiche Enthalpieänderungen auftreten und bei dem insbesondere die
Linie des Gegendruckes in einem -Q-V-Diagramm, dessen Ordinaten dem Wärmeinhalt
Q der Feuergase in kcal/Nm3 und dessen Abszissen den prozentuellen Anteilen h ausgeströmter
Fenergasvolumina an der je Verp.tiffung und Verpuffungskammer erzeugten Feuergasgesamtmenge
entsprechen, als Äquidistante zur Expansionslinie oder annähernd als solche auftritt.
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Es war oben ausgeführt worden, daß dabei von Verfahren ausgegangen
wird, bei denen der Gegendruck hinter einer Beschaufelungsanordnung während oder
nahezu während der Dehnung der Feuergase in der Düsen- bzw. Beschaufelungsanordnung
abgesenkt wird. Diese Feststellung betrifft den bereits bekannten Vorschlag, den
Gegendruck nach der letzten Stufe einer mit mindestens zwei Druckstufen arbeitenden
Verbundgasturbine wesentlich zu erniedrigen, um das Gefälle zwischen auf deii Raddruck
entspannten Restfeuergasen und diesem Gegendruck zu vergrößern, damit dem so entstehenden
konstanten Gefälle die Beschaufelung besser angepaßt werden kann, so daß also in
der zweiten Turbinenstufe höhere Wirkungsgrade entstehen. Dagegen bleiben bei diesem
Verfahren die unbefriedigenden Wirkungsgrade in der ersten Turbinenstufe jedoch
bestehen, während erfindungsgemäß erreicht wird, daß die Gefälle in allen Stufen
annähernd gleichartig ausfallen, womit sämtliche Turbinenräder mit höherem Wirkungsgrad
als nach den früheren Vorschlägen erreichbar arbeiten.
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Die Absenkung des Gegendruckes oder der Gegendrücke kann dabei in
der verschiedensten Art und Weise bewirkt werden. Es besteht beispielsweise die
Möglichkeit, an die Gegendruckräume e' :f@# Kolbenanordnung anzuschließen, so daß
durchEntfernung des Kolbens von dem Gegendruckraum weg der Gegendruck abgesenkt
wird. Einfacher ist jedoch die Herstellung der Gegendruckabsenkung mittels Gase,
die bei derartigen Turbinenanlagen in der Form von Feuergasen zur Verfügung. stehen,
so daß die Gegendruckabsenkung in weiterer Durchführung der Erfindung mittels zur
Dehnung der Feuergase synchroner Dehnung den Gegendruck erzeugender Gase vorgenommen
wird, wobei Feuergase maximaler Spannung mindestens einer Düsen-bzw. Beschaufelungsanordnung
zugeführt werden und bei der zur Dehnung in der Düsenanordnung synchronen Dehnung
zweckmäßig ebenfalls Feuergase unterworfen werden. Im einzelnen kennzeichnet sich
ein derartiges Verfahren zweckmäßig dadurch, daß Feuergase mit Erzeugungshöchstspannung
nur einer Düsen- und Beschaufelungsanordnung zugeführt werden, während der zur Dehnung
der Feuergase in der Düsenanordnung synchronen Dehnung vorteilhaft Feuergase- unterworfen
werden, die aus einer von mehreren Verpuffungskammern entnommen werden, die derselben
Düsen- und Beschaufelungsanordnung zugeordnet sind, wobei die Feuergase einer der
denDüsen-undBeschaufelungsanordnungen zugeordneten Verpuffungskammern zweckmäßig
in einem Zeitpunkt entnommen werden, in, dem in dieser Kammer eine Feuergasspannung
auftritt, die mit dem Feuergasdruck übereinstimmt, den die Feuergase am Ende der
Dehnung in der Düsenanordnung aufweisen, und wobei in der Entnahmekammer mit einer
Spannung oberhalb der Entnahmespannung erzeugte Feuergase bis zum Zeitpunkt des
Beginns der Entnahme vorzugsweise auf die Düsen- und Beschaufelungsanördnung zur
Wirkung gebracht werden, hinter der die Feuergase derselben Entnahmekammer reit
kleineren, unterhalb der Entnahmespannung liegenden
Drücken zur
Erzeugung eines mit der Dehnung in der Düsen- und Beschaufelungsanordnung abgesenkten
Gegendruckes benutzt werden. Das kann durch eine Versetzung der Arbeitsspielfolge
mehrerer den gleichen Düsen- und Beschaufelungsanordnungen zugeordneten Verpuffungskammern
erreicht werden, bei der während der Zeitspanne der Dehnung .aus einer Verpuffungskammer
entnommener Feuergase in der Düsen- und -Beschaufelungsanordnung aus einer anderen
Verpuffungskammer entnommene Feuergase zur Herstellung des abgesenkten Gegendruckes
benutzt -werden, wobei durch Zuführung der zur Erzeugung des Gegendruckes herangezogenen
Feuergase zu weiteren ihnen zugewiesenen. Düsen- und Beschaufelungsanordnungen,
hinter denen wiederum während der Dehnung der vorerwähnten Feuergase in diesen Düsen-
undBeschaufelungsanordnungen abgesenkte Feuergasgegendrücke gleichartigen Verlaufes
erzeugt werden, sowie durch Wiederhtilung dieses Verfahrens für etwaige zusätzliche
Turbinenstufen gleiche Enthalpieänderungen in diesen weiteren und zusätzlichen Turbinenstufen
erzeugt werden können. Insbesondere kann also während der Dehnung einer anfänglich
höchstgespannten Feuergasteilmenge in einer Düsen- und Beschaufelungsanordnung eine
niedrigergespannte Feuergasteilmenge im Gegendruckraum derselben Düsen- und Beschaufelungsanordnung
entspannt werden, nachdem sie in einer anderen Verpuffungskammer mit höherer Anfangsspannung
als der im Gegendruckraum herrschenden Spannung erzeugt worden war, so daß die Enthalpieänderungen
der ersterwähnten Feuergasteilmenge in der Düsen- und Beschaufe lungsanordnung annähernd
konstant gehalten werden. Ebenso kann eine niedrigergespannte Feuer-'gasteilmenge
von mittlerem Druck in einer zweiten Düsen- und Beschaufelungsanordnung entspannt
werden, während gleichzeitig im Gegendruckraum der zweiten Beschaufelungsanordnung
eine einer dritten Verpuffungskammer mit noch niedrigerem Druck entnommene Feuergasteilmenge
unter Erzeugung eines Gegendruckverlaufes entspannt wird, bei dem die Enthalpieänderungen
der der zweiten Verpuffungskammer anfänglich mit dem mittleren Druck entnommenen
Feuergasteilmenge im wesentlichen konstant sind, wobei die Erzeugungsspannung der
der dritten Verpuffungskammer mit dem niedrigsten Druck entnommenen Feuergasteilmenge
größer ist als die höchste im ,Gegendrückraum der zweiten Düsen- und Beschaufelungsanordnung
erzeugte Spannung und wobei als niedrigstgespannte Feuergasteilmenge zweckmäßig
Feuergase verwandt werden, die aus einer Verpuffungskammer während deren Ladung
mittels der Ladeluft als Restverbrennungsgase verdrängt werden.
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Vorliegende Erfindung geht von der weiteren Erkenntnis aus, daß es
durch Unterteilung des Arbeitsspieles jeder Verpuffungskammer in eine mit der Zahl
der Verpuffungskammern übereinstimmende Anzahl von Arbeitsspielabschnitteri möglich
ist, die Arbeitsspielabschnitte vorzugsweise ohne zeitliche Pausen zwischen ihnen
und ohne gegenseitige zeitliche Überdeckungen aneinanderzureihen, so daß die Arbeitsspielabschnitte
'mit jeweils gleicher zeitlicher Dauer abgewickelt werden können. Versetzt man dabei
die Arbeitsspielfolge der Kammern unter- und - gegeneinander um die Zeitdauer je
eines Arbeitsspielabschnittes, so ergibt sich eine besonders einfache Lösung der
Aufgabe, zu erreichen, daß mindestens eine Kammer zu jedem Betriebszeitpunkt die
zugeordneten Düsen- -und Beschaufelungsanordnungen beaufschlagt; womit eine ,pausenlose
Beaufschlagung verwirklicht wird. Dadurch überträgt die Turbinenwelle zu- jedem
Zeitpunkt, zu dem der zugehörige Generator im Netz liegt, ein positives Drehmoment;
so daß Torsionserscheinungen' fortfallen, die früher zu Störungen Anlaß gaben.
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Die Versetzung der Arbeitsspiele in den Verpuffungskammern einer Verpuffungsbrennkraftturbineneinheit
ist schon mehrfach bekanntgeworden. Diese Maßnahme wurde jedoch aus völlig abweichenden
Gründen und zur Verwirklichung völlig andersartiger technischer Aufgaben ergriffen.
Erwähnenswert unter diesen bekannten Vorschlägen -ist lediglich eine Ausführungsform,
bei der man die Arbeitsspiele so gegeneinander versetzte, daß sich die. Zeitspannen
der Restfeuergas.-. verdrängung schließend aneinanderreihten. Man erreichte hierdurch
zwar die Möglichkeit der Verwendung von Kompressoren mit steiler Charakteristik
und den Fortfall der periodischen, also mit Pausen aufeinanderfolgenden Ladeluftentnahme,
war aber noch nicht in der Lage, auch die übrigen Arbeitsspielabschnitte schließend
aneinanderzureihen, so daß die durch Verwirklichung vorliegenden Erfindungsgedankens
erreichbaren Vorteile noch nicht erzielt werden .konnten, selbst wenn man die Zeitabschnitte
der Ladelufteröffnungen in bekannter Weise aneinanderreihen würde: Es ist ebenfalls
bekannt, beim Betriebe der= artiger Verpuffungskammern -bei Beginn des Arbeitsspielab'schnittes
der Ladung einschließlich desjenigen der Restfeuergasverdrängung -Ladelufteinlaß-
un4. Restfeuergasauslaßorgane gleichzeitig zu eröffnen und- beide durchweg als Ventile
ausgebildeten Organe zu. schließen, wobei die Zuführung des Brennstoffes zweckmäßig
während einer sich auf einen Teil der 'Zeitdauer dieses Arbeitsspielabschnittes
erstreckenden Zeitspanne er--folgt. Die Beibehaltung dieses Ladeverfahrens im Rahmen
vorliegender Erfindung ist deshalb besonders vorteilhaft, weil dadurch besondere
Arbeitsspielabschnitte für Spülung und Einführung des Brenristoffes wegfallen, so
daß man mit bereits vier Verguffungskammern in der Lage ist, die erforderliche Gegendruckabsenkung
zu erzielen. Allgemeiner ausgedrückt bedeutet das, daß die Feuergase der Expansion
während einer Zeitspanne unterworfen werden, die das.n-fache der Dauer eines Arbeitsspielabschnittes*beträgt,
wobei.n eine ganze Zahl gleich i oder größer als z. ist, bei einer, vorzugsweisenUnterteilung
desArbeitsspieles jeder Verpuffungskämmer in mindestens n +:2 Arbeitsspielabschnitte,
wobei außer zu den n Dehnungsarbeitsspielabschnitten
mindestens@ein
Arbeitsspielabschnitt für Ladung einschließlich Restfeuergasverdrängung und mindestens
ein weiterer Arbeitsspielabschnitt für Zündung und Verpuffung tritt. Bei deP Berechnung
der Zahl der Verpuffungskammern sind sinngemäß nur die Verpuffungskammern zu zählen,
die entsprechend der zeitlichen Versetzung derArbeitsspiele um einenArbeitsspielabschnitt
zu einem beliebigen Betriebszeitpunkt gerade voneinander abweichende Arbeitsspielabschnitte
abwickeln. Es ist aber auch denkbar, etwa aus Gründen der Beschränkung der Kammergröße,
parallel arbeitende Kammern, also Kammergruppen vorzusehen, die sich in bezug auf
die zvklische Versetzung der Arbeitsspiele nicht anders verhalten wie eine einzige
große Kammer, also jeweils im gleichen Arbeitsspielabschnitt. stehen. In diesem
Fall tritt bei der Zählung der Verpuffungskammern die Zahl der Gruppen an die Stelle
der Einzelkammern.
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Vorliegende Erfindung beruht auf der abschließenden Erkenntnis, daß
die Steigerung des Turbinenwirkungsgrades, die erfindungsgemäß unmittelbar und mittelbar
dadurch erreicht wird, daß man beispielsweise einkränzige Beschaufelungen hohen
Wirkungsgrades verwenden kann, von einer solchen Bedeutung ist, daß man auf die
bisher zur Erzielung wirtschaftlicher Wirkungsgrade herangezogene Abwärmenutzung
verzichten kann. Das bedeutet also, daß die Feuergaszustände außerhalb der Verpuffungskammern
und der Düsen- und Beschaufelungsanordnungen sowie der Verbraucherstufe bis auf
unvermeidliche Verluste unverändert aufrechterhalten werden, etwa durch Abführung
von Kühlmittel mit der aufgenommenen Kühlwärme bzw. durch Abführung des der Aufnahme
der Rückkühlwärme dienenden Wärmeträgers mit der aufgenommenen Rückkühlwärme oder
auch durch Entlassung der Ausströmgase aus der Verpuffungsturbinenstufe der Anlage
mit der fühlbaren Wärme, die sie beim Verlassen der letzten Beschaufelungsanordnung,
in Feuergasrichtung gesehen, aufweisen.
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Es sind zahlreiche Vorschläge bekanntgeworden, bei denen teils bewußt,
teils aus Gründen zeichnerischer Vereinfachung die zu der Anlage zugehörigen Wärmetauscher
nicht dargestellt worden sind. Daraus kann jedoch nicht der Schluß gezogen werden,
daß hierbei von der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis ausgegangen
worden sei. Denn soweit diese Anlagen auf die Wärmenutzung bewußt verzichtet haben,
gingen sie von irrtümlichen Vorstellungen über die zu erreichenden Wirkungsgrade
aus, so daß über praktische Ausführungen derartiger Anlagen niemals etwas bekanntgeworden
ist. Das gleiche gilt sinngemäß für die Anlagen, in denen die Wärmenutzung nicht
dargestellt wurde, weil es in diesen Fällen auf die Wärmenutzung, nicht ankam. Dem
so Bekanntgewordenen gegenüber beruht vorliegende Erfindung auf der neu- und eigenartigen
Feststellung, daß es durch die Verbindung mit dem neuen, oben dargestellten Betriebsverfahren
gelingt, den Gesamtwirkungsgrad von Verpuffungsbrennkraftturbinen durch maßgebliche
Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades so zu steigern, daß die Wirtschaftlichkeit des
Betriebes auch ohne Abwärmeverwertung verbürgt ist. Erst dieser Erfolg rechtfertigt
es, die Anlage mit unverändert aufrechterhaltenen Feuergaszuständen außerhalb der
Verpüffungskammern sowie der Düsen- und Beschaufelungsanordnungen derVerpuffungsturbinenstufe
zu betreiben, wenn man von den unvermeidlichen Verlusten durch Strahlung, Wärmeleitung
usw. absieht.
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Die zur Durchführung der geschilderten Verfahren dienenden Vorrichtungen
können in der verschiedensten Art und Weise ausgeführt werden. Sie kennzeichnen
sich vorzugsweise durch Düsen-und Beschaufelungsanordnungen zugeordnete Verpuffungskammern
mit mehreren gesteuerten Auslässen zur Entnahme von Feuergasen zwecks Erzeugung
während der Feuergasdehnung in den Düsen- bzw. Beschaufelungsanordnungen im Druck
abgesenkter Gegendrücke hinter diesen Beschaufelungsanordnungen, in Strömungsrichtung
der Feuergase gesehen, in Verbindung mit einer Ausbildung der Steuerung, bei der
während der Eröffnung des höhergespannte Feuergase entlassenden Düsenventils einer
Verpuffungskammer das entsprechende Düsenventil einer weiteren Verpuffungskammer
geschlossen, aber mindestens eines ihrer weiteren, niedrigergespannte Feuergase
entlassenden Düsenventile eröffnet ist, wobei das eröffnete Düsenventil mit einer
Gegendruckkammer der Düsen- und Beschaufelungsanordnung verbunden ist, die über
das eröffnete Düsenventil mit höhergespannten Feuergasen beaufschlagt ist. Insbesondere
kann die Steuerung so ausgebildet sein, daß während der Eröffnung eines Düsenventils
einerVerpuffungskammer das entsprechendeDüsenventil einer weiteren Verpuffungskammer
geschlossen, aber mindestens ein Auslaßventil derselben für den Feuergasrest eröffnet
und mit der Gegendruckkammer der Düsen- und Beschaufelungsanordnung verbunden ist,
die über das eröffnete Düsenventil mit Feuergasenbeaufschlagt ist.
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Es wurde bereits oben erwähnt, daß die in den Beschaufelungen auftretenden,
ziemlich gleichartig ausfallenden Enthalpiegefälle die Möglichkeit geben, eine Läuferscheibe
mit höchstens einer Schaufelreihe zu besetzen, so daß dieUmkehrschaufeln wegfallen,
die bisher zu großen Kühlungsschwierigkeiten führten. Demgemäß können also Läuferscheiben,
die vorzugsweise einen gemeinsamen Turbinenläufer bilden, mit höchstens einer Schaufelreihe
besetzt werden, wobei der Läufer vorzugsweise zwei oder drei Scheiben aufweist.
Entsprechend dem bereits oben erörterten Zusammenhang zwischen Arbeitsverfahren
und Zahl der Verpuffungskammern ist die Zahl der Verpuffungskammern gleich einem
ganzzahligen Vielfachen der Anzahl der Arbeitsspielabschnitte einer Verpuffungskammer,
wobei jede Verpuffungskammer mindestens n + r Feuergasauslässe aufweisen kann. Dabei
sind zweckmäßig unter den n+ z gesteuerten
Feuergasauslässen mindestens
n Auslaßorgane durch Verordnung vor Düsen- und Beschaufelungsanordnungen als Düsenventile
ausgebildet. Das bedeutet, daß für die Entlassung der Restfeuergase mindestens ein
Auslaßorgan vorgesehen ist. Entsprechend jedoch der Möglichkeit, auch die Restfeuergase
in einer besonderen Düsen- und Beschaufelungsanordnung wenigstens zum Teil abarbeiten
zu können, können auch n + i gesteuerte Feuergasauslässe als Düsenventile ausgebildet
sein. Entsprechend groß ist die Anzahl der Düsen- und Beschaufelungsanordnungen,
also die Zahl der Turbinenstufen.
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Ist die Treibgasentnahmeleitung an die Auslaßventilanordnung angeschlossen,
die naturgemäß auch mit der letzten Beschaufelungsanordnung in feuergasleitender
Verbindung steht, so gewinnt man die Möglichkeit, selbst die Restfeuergase zu der
bereits obenerwähnten, günstigen Gegtaltung des Gegendruckes heranzuziehen, so daß
auch der letzten Turbinenstufe praktisch gleiche Teilgefälle zugeordnet-sind.
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Die Feuergasüberführungsleitungen innerhalb der Verpuffungsturbinenstufen
sind vorteilhaft mit vollem, lichtem Querschnitt ausgeführt. Bisher mußte man in
dieseFeuergasüberführungsleitungen die Wärmetauscher einbauen, wobei die lichten
Querschnitte durch sie entweder verengt oder für den Fall erweitert wurden, daß
man die Gasgeschwindigkeiten unverändert aufrechterhalten wollte. Es gab natürlich
auch die Möglichkeit, den Querschnitt unverändert aufrechtzuerhalten, indem man
die Leitungswandungen selbst als Wärmetauschflächen ausbildete. Aber auch diese
Möglichkeit kommt erfindungsgemäß völlig in Fortfall. Zweckmäßig werden dabei die
Überführungsleitungen zwischen den Verpuffungskammern und/oder Düsen- sowie Beschaufelungsanordnungen
der Verpüffungsturbinenstufe innerhalb eines die Düsen- und Beschaufelungsanordnungen
der Verpuffungsturbinenstufe aufnehmenden Gehäuses angeordnet. Die vorzugsweise
eingehäusige Ausbildung schließt aber naturgemäß nicht mehrgehäusige Ausbildungen
aus. Ebenso ist es nicht erforderlich, eine sich an die Verpuffungsturbinenstufe
im Treibgasstrom anschließende Verbraucherturbinenstufe eingehäusig auszubilden
oder ihr Gehäuse von dem oder denen der Verpuffungsturbinenstufe zu trennen, da
bei allen diesen Möglichkeiten die vollen Vorteile der Verwirklichung der Erfindung
entstehen würden. Der Begriff der »Stufe« hat dabei nicht die übliche Bedeutung
der Turbinendruckstufe, sondern den der Aufteilung der Wärmekraftanlage in eine
Treibgase erzeugende Verpuffungsturbinenstufe und in eine mit- Treibgasen gespeiste
Verbraucherstufe, die auch als -Turbine, etwa als vielstufige Parsonsturbine, ausgebildet
sein kann und dann die Feuergasenergie in mechanische bzw. über einen angetriebenen
elektrischen Generator in elektrische, äußere Arbeit umsetzt.
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Die gegenseitige Versetzung von Arbeitsspielabschnitten ist an sich
bekannt, beispielsweise um zu erreichen, daß bei Zuordnung von nur zwei Verpuffungskammern
zu einem Turbinenläufer, dessen Schaufeln auf einem verhältnismäßig kurzen, durch
die Mündung der Ausströmdüse bestimmten Bogen dauernd mit Arbeitsgas beaufschlagt
wird. Bei sämtlichen dieser bekannten Vorschläge, Zu denen es beispielsweise auch
gehört, die Restfeuergase in einen vom Radkastendruck unabhängigen Raum zu führen,
die Entspannung in den Verpuffungskammern auf vor der zweiten Laufradstufe herrschenden
Drücke zu treiben oder' Regelungen so durchzuführen, daß keine Selbstzündungen in
den Kammern auftreten, wurde jedoch mit stets gleichbleibendem Gegendruck gearbeitet,
so daß starke Enthalpieänderungen und demgemäß unbefriedigende Radwirkungsgrade
auftraten, zu deren grundsätzlicher Erhöhung die erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Maßnahmen dienen, die somit durch die Vorschläge der angegebenen Art, die in rein
baulicher Beziehung teilweise übereinstimmende Bauelemente benutzten, nicht bekanntgeworden
sind.
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Die Zeichnung zeigt eine Ausführung des Erfindungsgedankens am Beispiel
eines als Verpuffungsbrennkraftturbine mit mehreren Kammern und zwei Turbinenstufen
ausgebildeten Treibgaserzeügers zur Versorgung einer äußere Arbeit liefernden Kraftwerksturbine.
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Fig. 4 veranschaulicht in schematischer Darstellung den erfindungsgemäß
getroffenen Aufbau eines Öltreibgaserzeugers ; Fig.5- zeigt das zugehörige Druck-Zeit-Diagramm,
während Fig. 6 das Q-Tl-Diagramm der gleichen Anlage wiedergibt; Fig. 7 zeigt das
Q-V-Diagramm in einem größeren Maßstab unter Veranschaulichung eines abweichenden
Arbeitsverfahrens; Fig. 8 stellt in teilweiser Ansicht in teilweisem Schnitt einen
Treibgaserzeuger mit abgeänderten Ausführungen von Lade-, Düsen- und Auslaßventilen
dar; . Fig..9 stellt einen Querschnitt durch den Treibgaserzeuger nach Fig.8 dar;
Fig. io stellt in schematischer Darstellung einen Treibgaserzeuger mit Verarbeitung
der Restfeuergase in einer besonderen Beschaufelung, Fig. ii eine gegenüber Fig.
io etwas abgeänderte Ausführungsform dar.
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In Fig. 4 bezeichnet 24 die Läuferwelle, auf der die beiden einkränzigen
Turbinenlaufräder 25 und 26 sitzen, die die beiden Turbinenstufen des Aggregats
bilden. Der Beschaufelungsanordnung 25Q vorgeoränet ist die Düsenanordnung I, die
mit jeder der dem Aggregat zugeordneten Verpuffungskammern 27, 28 usw. in feuergasleitender
Verbindung steht. Diese Verbindungen sind mit 29 und 3o bezeichnet. Zur Verpuffungskammer
abgeschlossen oder an sie angeschlossen werden die Stutzen 29, 30 über gesteuerte
Düsenventile, die bei 31 und 32 angedeutet sind. Aus Vereinfachungsgründen ist die
Steuerung dieser Ventile nicht gezeigt. Anordnung und Steuerung der Düsenventile
31 und 32 können jedoch grundsätzlich so ausgeführt sein, wie
dies
Fig. i beim Ventil 6 in an sich bekannter Art und Weise veranschaulicht. Die Zündungseinrichtungen
sind mit 5 bezeichnet, die Ladeluftventile mit 2. Entsprechend der Ausbildung als
Ölturbine sind bei 33 Brennstoffzuführungsleitungen vorgesehen, deren Einspritzenden
unmittelbar in die Ladeluftventile :2 eingebaut sind. Eine Ringleitung 3.4 versorgt
die Verpuffungskammern mit Ladeluft. Besondere Nachladeventile sind nicht vorgesehen,
da die Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage, die vorwiegend zur Erzeugung von Treibgasen
ausgebildet ist, nach dem sogenannten offenen Aufladeverfahren arbeiten soll, d.
h. das noch zu besprechende Auslaßventil wird nicht nur während der gesamten Zeitdauer
der Ladeluftventileröffnung in einer Kammer zwecks Ausschiebung des Feuergasrestes,
sondern auch noch während des Beginns der Brennstoffeinspritzung (bzw. eines eventuellen
Brenngaseinlasses) offen gehalten. Bei dieser offenen Auf ladung erreicht man besonders
günstige Durchmischungsverhältnisse von Luft einerseits, Brennstoff oder Brenngas
andererseits. Insoweit entspricht der Aufbau der Verpuffungsbrennkraftturbine mit
der geschilderten Abänderung des Ladeverfahrens grundsätzlich der bekannten Turbinenausbildung
nach Fig. i.
-
Erfindungsgemäß sind nun folgende weiteren Maßnahmen getroffen: Es
sei zunächst verwiesen auf das Druck-Zeit-Diagramm der Fig. 5, dem die bisher beschriebene
Turbinenanlage wieder in an sich bekannter Weise gehorcht. In diesem Diagramm bezeichnet
A den Zeitpunkt, in dem sich der höchste Verpuffungsdruck nach der vorhergehenden
Zündung ausgebildet hat. Durch Öffnung eines der Düsenventile 3 i, 32 tritt, ausgehend
vom Punkt A, die Expansion ein, die ohne die erfindungsgemäß getroffenen Maßnahmen
- unter Vermittlung der Düsen I bis Punkt C verlaufen würde. Dort schließt sich
das betrachtete Ventil, und es öffnet sich eines der Ladelufteinlaßventile, gleichzeitig
das demAuslaßventil io der Fig. i entsprechende Auslaßventil, und es findet unter
Einwirkung der nachdrängenden Ladeluft die Ausschiebung der Restfeuergase längs
der Linie C-E statt. Im Zeitpunkt E schließen sich Ladelufteinlaß- und Auslaßventile.
Vorher hat .bei D die Einspritzung des Brennstoffes über die Leitung 33 stattgefunden,
so daß-also so die bereits erwähnte offene Aufladung bei offenen Ladelufteinlaß-
und Auslaßventilen verwirklicht wird. Im Punkt E ist in den Kammern ein homogenes,
gut durchgemischtes, zündfähiges Gemisch vorhanden, so daß es nur der Zündung im
Zeitpunkt 15 bedarf; um den steilen Druckanstieg zu bewirken, der wieder zum Auftreten
des höchsten Verpuffungsdruckes im Punkt A des nächsten Arbeitsspieles führen würde.
-
In bezug auf die Verarbeitung des Feuergasgefälleswürde sich also
die bisher geschilderte Ausbildung des Treibgaserzeugers nach Fig. q. nicht wesentlich
von der Ausbildung der Verpuffungsbrennkraftturbine nach Fig. i unterscheiden. Es
war jedoch oben ausgeführt worden, daß das Arbeitsverfahren der Anlage nach Fig.
i deshalb nicht voll befriedigt, weil, wie Fig. 3 zeigt, trotz Anordnung des Druckausgleichsbehälters
13 die erstrebte Konstanthaltung der Feuergasgefälle an der Grenze der Bereiche
I und IIQ nicht eintritt.
-
Erstrebt war der zur Abszissenachse möglichst parallele Verlauf der
strichpunktiert gezeichneten Gegendrucklinie. Selbst wenn die Äquidistanz dieser
Gegendrucklinie zur Abszissenachse hätte verwirklicht werden können, wären im Bereich
I, d. h. durch die Radanordnung 7, noch verhältnismäßig stark wechselnde Feuergasgefälle
zu verarbeiten gewesen. In Wirklichkeit trat nicht einmal die erwartete Parallelität
der Gegendrucklinie zur Abszissenachse ein, sondern die Gegendrucklinie nahm einen
ziemlich steilen Verlauf nach oben, so daß die Veränderung der Gefälle im Bereich
I zunahm und auch im Bereich IIQ nicht befriedigend wurde. Diese Verhältnisse verlangten
eine grundsätzliche Änderung. Denn gelänge es, die in Fig. 3 ihrem wirklichen Verlauf
gemäß gezeichnete Gegendrucklinie so zu verändern, daß sie äquidistant zur ausgezogen
gezeichneten Expansionslinie verlaufen würde, dann würde man annähernd konstante
Feuergasgefälle in den Turbinenrädern verwirklichen können.
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Eine derartige, ohne die Mittel der Erfindung hypothetisch bleibende
Gegendrucklinie ist in Fig. 5 bei 35 eingezeichnet worden. Ihre Lage ist dabei so
bestimmt worden, daß einer Reihe weiterer vorteilhafter Bedingungen genügt ist.
Denn zunächst darf die mittlere Temperaturbeanspruchung einer mit einem derartigen
Gegendruckverlauf arbeitenden Beschaufelung den Wert nicht übersteigen, der mit
bekannten Radkonstruktionen, Radraumausbildungen und Kühlungsmöglichkeiten betriebssicher
beherrscht werden kann, ohne daß die Werkstoffbeanspruchungen allzu sehr den Grenzwert
der Kriechfestigkeiten der Werkstoffe erreichen. Der Abstand der beiden äquidistanten
Diagrammlinien soll weiter so gewählt werden, daß Gefälle entstehen, die die Anwendung
einkränziger Räder mit Umfangsgeschwindigkeiten ermöglichen, die höher als 25o-m/Sek.
sind, beispielsweise rund 300 m/Sek. betragen können. Schließlich soll die
Gegendrucklinie möglichst unterhalb der Linie des kritischen Gegendruckes verlaufen,
der bei Feuergasen zwischen 0,5 und o,6 des Druckes in der Kammer beträgt.
Das hat den Vorteil, daß Lavaldüsen zur Anwendung kommen können, bei denen die Strömungsverhältnisse
vor dem engsten Düsenquerschnitt bei gleichen Düsenwirkungsgraden turbulenter sein
dürfen als bei nicht erweiterten Düsen. Da diesen vorteilhaften Voraussetzungen
die Gegendrucklinie 35 genügen soll, ist damit auch die engere technische Aufgabenstellung
vorliegender Erfindung gekennzeichnet worden. Was dabei für die Düsenanordnung I
und die Turbinenradanordnung 25 ausgeführt worden ist, gilt sinngemäß auch für die
Düsenanordnung II und die Turbinenradanordnung 26, so daß in bezug auf letztere
im Diagramm der Fig. 5 eine Gegendrucklinie zu verwirklichen wäre, die durch den
gestrichelten Verlauf 36 gekennzeichnet ist.
Da es mit den Mitteln
der Erfindung gelungen ist, diesen Verlauf der Gegendrücke zu verwirklichen, ist
damit die erfindungsgemäß gefundene Lösung bereits .diagrammatisch veranschaulicht
worden.
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Die Erfindung kennzeichnet sich also im Druck-Zeit-Diagramm der Fig.
5 durch bewußt und planmäßig durchgeführte Absenkung der in Strömungsrichtung des
Feuergases hinter den Beschaufelungsanordnungen 25, 26 erzeugten Gegendruckverläufe
35, 36 während oder nahezu während -der vom Punkt A in Fig. 5 ausgehenden Dehnung
der Feuergase in den Düsenanordnungen I, II, durch die in den Beschaufelungsanordnungen
25,:26 gleiche oder praktisch gleiche Feuergasgefälle, gegeben durch die
Äquidistanz der vom Punkt A ausgehenden Expansionslinie und der Gegendrucklinien
35, 36, eintreten.
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Um diese im Druck-Zeit-Diagramm veranschaulichte Erfindung konstruktiv
zu verwirklichen, ist der Treibgaserzeuger nach Fig.4 gegenüber dem bisher üblichen
Aufbau der Verpuffungsbrennkraftturbine nach Fig. r in folgender Weise abgeändert
worden: Außer *den Düsenventilen 31, 32 sind weitere Düsenventile 37, 38
in den Verpuffungskammern 27, 28 vorgesehen worden, die mit den Düsenvorräumen 39,
4o der Düsen II über Stutzen 41, 42 in Verbindung stehen. Weiter sind Auslaßventile
43, 44 angeordnet worden, die über die Stutzen 45, 46 direkt auf das Ausströmgehäuse
47 des Turbinenrades 26 arbeiten. Das AusstrÖmgehäuse47 steht über die Treibgaszuführungsleitung
48 mit einer Kraftwerksturbine in Verbindung, die etwa als vielstufige Pärsonsturbine
ausgebildet sein kann. An die Stelle der Kraft-,verksturbine kann jeder andere Treibgasverbraucher
treten, der den Druck, die Temperatur und/oder den Wärmeinhalt der das Ausströmgehäuse
verlassenden Treibgase auszunutzen vermag.
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Alle Kühl- und Isoliermäntel sind aus Vereinfachungsgründen nicht
gezeigt worden.
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Wie man bereits der Fig. 5- zu entnehmen vermag, erreicht die Gegendrucklinie
35 die Linie des Ladeluftdruckes p, in einem bestimmten Zeitpunkt. Würde man die
Gegendxucklinie über diesen Zeitpunkt hinaus weitertreiben, d. h. würde man die
Feuergase in den Düsen I über den Zeitpunkt hinaus expandieren lassen, der dem Schnittpunkt
der Gegendrucklinie 35 mit der Linie des Ladeluftdruckes entspricht, um auch in
diesem vom Schnittpunkt ab beginnenden Zeitraum gleiche oder annähernd gleiche Feuetgasgefälle
zu erhalten, so würde -vor den Düsen II, in Feuergasrichtung gesehen, ein geringerer
Druck herrschen als im Ausströmgehäuse 47, da dieser entsprechend dem gewählten
Ladeverfahren mit Restfeuergasen vom Druck der Ladeluft erfüllt ist. Es würden also
Rückströmungen und Bremswirkungen auf die Turbinenräder entstehen, die unerwünscht
sind. Aus diesem Grunde muß die Expansion der Feuergase in den Düsen I zu einem
Zeitpunkt abgebrochen werden, der vor diesem Schnittpunkt der Gegendrucklinie 35
mit der Linie des Ladeluftdruckes pö liegt. Dieser Zeitpunkt wird aus Sicherheitsgründen
etwas vor den genannten Schnittzeitpunkt vorverlegt. Er ist in Fig. 5 mit B bezeichnet
worden. Im Punkt B schließen sich also die Düsenventile 3 r, 32, und die Düsenventile
37 und 38 öffnen sich. Dieselben Düsenventile schließen sich im Punkt C, und es
öffnen sich die Auslaßventile 43, 44, um im Punkt E zu schließen. Dabei sind die
Steuerzeiten der Ventile 31 und 32 bzw. 37 und 38 bzw. 43 und 44 und damit
die Arbeitsspielfolgen der den Düsen-und Beschaufelungsanordnungen I, 25 und 1I,
26 zugeordneten Verpuffungskarnmern 27, 28 usw. zeitlich einander gegenüber so versetzt,
daß -während der Zeitspanne - der Dehnung A-B einer aus der Verpuffungskammer 28
entnommenen höhergespannten Feuergasteilmenge in der Düsen- und Beschaufelungsanordnung
I, 25 - eine aus der Verpuffungskammer27 entnommene, niedrigergespännte Feuergasteilmenge
zur Herstellung des abgesenkten Gegendruckes 35 -im Düsenvorraum 39, 40 und daß
- während der Zeitspanne der Dehnung einer aus der Verpuffungskammer 27 entnommenen
niedrigergespannten Feuergasteilmenge in der Düsen- und Beschaufelungsanordnung
1I, 26 - eine aus einer weiteren, nicht gezeichneten Verpuffungskammer entnommene,
noch niedrigergespannteFeuergas teilmenge zur Herstellung des abgesenkten Gegendruckes
36 im Ausströmraum 47 benutzt werden. Demgemäß sind die Düsenventile 32 und 37 im
geöffneten, die Düsenventile 31 und 38 sowie die Auslaßventile 43 und 44 im geschlossenen
Zustand gezeichnet worden. Ein weiteres, nicht gezeichnetes, den Auslaßventilen
43, 44 entsprechendes Ventil ist offen zu denken, so daß eine die niedrigstgespannte
Feuergasteilmenge entladende, nicht gezeichnete Verpuffungskammer mit dem Ausströmgehäuse
47 in Verbindung steht. Während der Dehnung A-B (Fig.5) der über das offene Düsenventil
32, der Düsenanordnung I und der BeschaufelungsanordnUng 25 zugeführten höhergespannten
Feuergasteilmenge der in der Verpuffungskammer 28 bei einer Verpuffung insgesamt
erzeugten "Feuergasmenge verläuft also der Gegendruck in den Düsenvorräumen 39,
4o, die zu diesem Zweck in nicht näher dargestellter Weise, beispielsweise durch
ringförmige Ausbildung, .verbunden sind, nach der Gegendrucklinie 35 entsprechend
der Dehnung B-C der über das geöffnete Düsenventil 37 in die Düsenvorräume 39, 40
eingeführten, niedrigergespannten Teilmenge der in der Verpuffungskammer 27 insgesamt
erzeugten Feuergasmenge..Dabei ist zu beachten, daß die im vorhergehenden Satz in
bezug genommene Teildehnung B-C des Diagramms nach Fig. 5 zu einem Diagramm gehört,
das den Druckverlauf in einer und derselben Kammer wiedergibt, daß also die die
Gegendrucklinie 35 zur Teilexpansion A-B in der Verpuffungskammer 28 erzeugende
Teilexpansion B-C . einer aus der Verpuffungskammer z7 `entlassenen, niedrigergespannten
Feuergasteilmenge nicht dem Diagramm der Fig. 5 angehört, sondern dem Druck-Zeit-Diagramm
der Verpuffüngskammer 27, das gegenüber dem in Fig. 5 wiedergegebenen Druck-Zeit-Diagramm
der
Verpuffungskammer 28 so vorauseilt, daß während der Zeitspanne
der Teilexpansion A-B der über das Düsenventil 32 aus der Verpuffungskammer 28 @entlassenen,
höhergespannten Feuergasteilmenge die Verpuffungskammer 27 bereits eine niedrigergespannte
Feuergasteilmenge entläßt, die nach ihrem eigenen, gegenüber dem Diagramm der Fig.5
um die Zeitspanne A-B vorauseilenden Druck-Zeit-Diagramm gerade der Teilexpansion
B-C unterliegt. Das gilt sinngemäß für die die Gegendrucklinie 36 erzeugende, niedrigstgespannte
Feuergasteilmenge, die im Ausführungsbeispiel als aus einer Kammer ausgeschobene
Restfeuergasmenge während der Zeitspanne C-E in das Ausströmgehäuse 47 hineinexpandiert.
Das Druck-Zeit-Diagramm dieser nicht gezeichneten, die Restfeuergase ausschiebenden
Kammer eilt dem Diagramm nach Fig. 5, das der Kammer 28 zugeordnet ist, um das Zeitmaß
A-C vor. Mit anderen Worten, der Verlauf der Arbeitsspiele in der Kammer 27 ist
gegenüber dem Verlauf der Arbeitsspiele in der Kammer 28 zeitlich so vorverlegt,
daß während der Erzeugung des Gegendruckverlaufes 35 im Düsenvorraum 39, 40 mit
Hilfe der Dehnung der über das geöffnete Düsenyentil 37 in den Vorraum 39, 4o entlassenen,
niedrigergespannten Feuergasteilmenge die über das Düsenventil 32 aus der Verpuffungskammer
28 entlassene, höhergespannte Feuergasteilmenge entsprechend der Teilexpansion A-B
gedehnt wird. Dieser zeitlichen Versetzung der Arbeitsspiele entsprechend wird während
des Gegendruckverlaufes 35 im Düsenvorraum 39, 4o der im Ausströmgehäuse 47 auftretende
Gegendruck nach der Linie 36 abgesenkt. Dadurch wird der Zweck der Erfindung erfüllt.
Die über das geöffnete Düsenventil 32 dem Düsen- und Beschaufelungssystem I, 25
zugeführte Feuergasteilmenge wird mit annähernd gleichem Feuergasgefälle verarbeitet,
das durch die Expansionslinie A-B und die annähernd aequidistante Gegendrucklinie
35 gekennzeichnet ist. Die das Düsen- und Beschaufelungssystem 1I, 26 beaufschlagende,
niedrigergespannte Feuergasteilmenge wird gleichzeitig in dieser Düsen- und Beschaufe=
lungsanordnung TI, 26 mit gleichem Feuergasgefälle verarbeitet, da die Linie 35,
jetzt als Expansionslinie dieser niedrigergespannten Feuergasteilmenge, äquidistant
zur Gegendrucklinie 36 des Ausströmgehäuses 47 verläuft. Diese Druck-Zeit-Diagramme
lassen jedoch nicht erkennen, welche Feuergasgefälle die aus dem Rad 25 abströmende,
teilweise abgearbeitete, zunächst höhengespannt gewesene Feuergasteilmenge bei der
weiteren Verarbeitung vorfindet. Zu diesem Zwecke bedarf es einer Darstellung der
gleichen Verhältnisse im Q-V-Diagramm, das in Fig. 6 gezeigt ist.
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In diesem Diagramm ist wieder der Verlauf des Linienzuges A, B, C
und E veranschaulicht. Die Feuergasgefälle sind auf der von A ausgehenden Ordinate
abzulesen, die ausgeströmten Feuergasmengen auf der Abszissenachse. Das Druck- und
Temperaturliniennetz ist nur angedeutet -und gilt wiederum für die von A ausgehende
Doppellinie. Diese Doppellinie veranschaulicht die Zustandsbedingungen während der
Expansion.. Diese Änderungen erscheinen im Q-S-Diagramm als vertikale adiabatische
Linien, aber nur in der idealen Maschine, in der während der Expansion keine Entropieänderungen,
also keine Wärmeverluste in den Wandungen auftreten und keine Wärmeabgabe durch
Reibung am Laufrad und an den Schaufeln stattfindet. Für die ausgeführte Maschine
treffen beide Voraussetzungen nicht zu. Doch zeigen sorgfältige Untersuchungen über
den Wärmeübergang auf der Gasseite feuergasberührter Wandungen und Berechnungen
der Ventilationsverluste an Schaufelrädern und Schaufeln, daß bei sorgfältig ausgeführten
Anlagen die in Betracht kommenden Betriebsverfahren praktisch zur Gleichheit von
abgegebener und aufgenommener Wärme führen. Es ist daher berechtigt, von adiabatischen
Zustandsänderungen und demgemäß von vertikalen Linien im Q-S-Diagramm und damit
im Q-V-Diagramm auszugehen. Eingetragen ist weiter die strichpunktiert gezeichnete
Gegendrucklinie 35 und die gestrichelt gezeichnete Gegendrucklinie 36. Diese Linien
bestimmen in Verbindung mit durch dic Punkte B und C gelegten Ordinaten folgende
Flächen: Ia, Ib, II und III. Die Fläche IQ unterhalb des der Teilexpansion A-B entsprechenden
Kurvenverlaufes A-B entspricht der Arbeitsleistung der aus der Düsenanordnung I
ausströmenden Feuergasteilmenge, ausgeübt auf das Rad 25. Die strichpunktiert gezeichnete
Trennlinie 35 zwischen den Flächen IQ und Ib entspricht dem in den Düsenvorräumen
39, 4o auftretenden Gegendruck. Diese Gegendrücklinie ist in der Hauptsache abhängig
von der Anzahl der arbeitenden Kammern, der Zahl und Größe- der Düsenvorräume und
der engsten Düsenquerschnitte. Mit der Gestaltung dieser Gegendrucklinie im Q-V-Diagramm
kann der Radwirkungsgrad der Verpuffungsbrennkraftturbine weitgehend beeinflußt
werden. Es wird in günstigster Weise beeinflußt, wenn es mit den Mitteln der Erfindung
gelingt, ihn aequidistant oder annähernd aequidistant zum Linienzug A-B
zu
führen. Eine kleine Abweichung von der Aequidistanz anläßlich der Auffüllung
der Düsenvorräume 39= 40 muß in Kauf genommen werden, doch ist diese Abweichung
zu gering, als daß sie sich auf den Wirkungsgrad ungünstig auswirken könnte.
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Es bezeichnet weiter Ib .eine Fläche, die der Arbeitsabgabe der über
die DüsenI zugeführten, höhengespannten Feuergasteilmenge -in der Düsenuni Beschaufelungsanordnung
1I, 26 entspricht. Begrenzt wird die Arbeitsfläche Ib nach unten durch eine punktiert
gezeichnete Gegendrucklinie 36, die dem Zustand der Feuergase im Ausströmgehäuse
47 entspricht. Erkennbar isst wieder die annähernde Äquidistanz zwischen der strichpunktiert
gezieichneten Gegendruckli.nie 35 und dieser punktiert gezeichneten Linie 36, so
daß also auch die Änderungen der Enthalpie, annähernd konstant sind, die die über
die Düsenanordnung.I zugeführte Feuergasteilmenge beider Verarbeitung in der zweiten
Turbinenstufe vorfindet.
Erkennbar -ist außerdem die Arbeitsfläche
II, welche der disponiblen Arbeit entspricht, die die über eines der Düsenventfe
37, 38 entlassene, niedrigergespannte Feuergesteilmenge in der, Turbinenanordnung
1I, 26 entfaltet. Auch diese niedrigergespannte Feuergasteilmenge findet infolge
der annähernden Äquidistanz zwischen dem Kurvenast B-C und der punktiert gezeichneten
Gegerndrucklinie 36 auf dem größten Teil des Verlaufes der Gegendrucklinie annähernd
gleiche Feuergasgefälle vor, so daß also beide Turbinenstufen annähernd gleichbleibende
Einzelgefälle zu verarbeiten haben. Es besteht daher die Möglichkeit, daß diesen
gleichartigen Gefälleverhältnissen weitestgehend entsprechende Rad bzw. eine entsprechende
Radgruppe mit optimalen Wirkungsgrad anzuwenden und damit die Verpuffungsbrennkraftturbine
in den Rang der Turbinen mit gleichem Gefälle zu erheben. Das gilt auch für die
Arbeitsfläche III der Kraftwerksturbine.
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Fig. 7 zeigt ein in einem änderen Maßstab gehaltenes O-V-Diagramm
eines Betriebsverfahrens, bei dem eine der Gleichdruckvenbrennung mehr oder weniger
angenäherte Verbrennung mit einer Gl:eichraumveril>rennung vereinigt worden eist.
Bei- dem Betriebsverfahren, das, die Grundfage des Diagramms nach Fig. 7 bildet,
wird die Zündung in verhältnismäßig großer Nähe der Düsenventile 3r oder 32 bewirkt,
über die die höchstgespannte Fenerteilgasmenge in die erste der Düsenanordnungen
entladen wird. Diese Düsenventile werden vor völlig beendeter Verbrennung bzw. Verpuffung
eröffnet, also vor dem Zeitpunkt, in dem es ohne diese Voreröffnung zur Ausbildung
der Höchstdruckspitze A kommen wü@ide, die dem Punkt f1 der Fig. 6 entspricht. Es
entweichen also Gase, deren Verbrennung bzw. Verpuffung mehr oder weniger beendet
ist, vor dem Ende der Zeitspanne; die zur Durchführung der Verbrennung bzw. Verpuffung
vorgesehen ist, abgesehen davon, da.ß diiese naturgemäß unabhängig von dieser Voreröffnung
der Düsenventile zu Ende geht.
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Dieses modifizierte Verfahren ersetzt also die reine Gleichraumverbrennung
durch eine solche, bei der die Verbrennung bzw. Verpuffung zu einem wesentlichen
Teil als, Gleich.druckverbrennung bzw. -verpuffung auftritt. Es werden also die
durch Glenchraumverbrennung entstandenen Gase nach Entstehen eines bestimmten Druckes
unter einer mehr oder weniger konstanten ,Spannung entladen, die dadurch aufTechterhalten
bleibt, daß das Gemisch in Kammerteilen zur Verbrennung bzw. Verpuffung kommt, die
weiter entfernt von den. sind. Während -dieses Andauerns -der Vorgänge tritt zunächst
eine leichte Druckerhöhung ein, worauf eine Periode völligen Gleichdruckes folgt,
während: sich beim Eintritt der Endvorgänge der Verbrennung die Spannung wieder
zu senken beginnt. Zu diesem Zeitpunkt schneidet die Druck-Zeit-Kurve die Expansionslinie
von Gasen, -die durch eine reine Gleichraumverbrennung entstanden zu denken sind.
Die Kurve x in Fig. 7 veranschaulicht die Expansionislinie einer höchstgespannten
Feuergasteilmenge, wenn das Düsenventil zu einem Zeitpunkt eröffnet wird, in welchem
die Glenchraumverbrennung zur Erzeugung eines Druckes von 5o ata gegenüber 64 ata
geführt hat, die bei Durchführung der Verbrennung bzw. Verpuffung als reine Gleichraumverbrennung
erreichbar wären. Man erkennt, daß die Kurve x annähernd horizontal in Bezug auf
einen sehr großen Teil des Feuergasvolumens verläuft, der während der ersten Teilexpansion
entladen wird. Dabei ist festzustellen, daß sich die Kurve x noch stärker dem allgemeinen.
Verlauf und; der Charakteristik der strichpunktiierten und gestrichelten Geg'endrucklinien
anschmiegt als die Linie A-B, so daß selbst in Bezug auf -die anfänglichen Zeitelemente
der ersten Teilexpansion Expansions- und Gegen:drucklinien fast völlig äquidistant,
praktisch äquidistant, verlaufen. Genauere Untersuchungen haben dabei ergeben, daß
.trotz des Verlustes an Arbeitsfläche im Diagramm oberhalb der Linie x die verfügbare
Leistung beim kombinierten Gleichraum-Gleichdruck-Prozeß annähernd dieselbe ist
wie beim Gleichraumprozeß. Andererseits aber können die Turbinenschaufeln infolge
des gleichmäßigeren. Gefälles beim kombinierten Prozeß für konstantere Bedingungen
ausgelegt Werden, so daß in Verbindung mit den höheren Radumfangsgeschwindigkeiten
der Radwirkungsgrad wesentlich verbessert, z. B. auf Werte< von 7o bis 76% gebracht
werden kann. Ähnliche Ergebnisse sind- auch dadurch zu erhalten, daß man die Voreröffnung
der Düsenventile mit einer Einführung von Zusetzbrennstoff, etwa mit einer Nacheinspritzung
von flüssigem Brennstoff in die _Kammer, verbindet. Dieses Verfahren .ist in Fig.
7 durch den Linienzug y veranschaulicht. worden, bei dem das Düsenventil zu einem
Zeitpunkt eröffnet Wird, bei dem die renne Gleichraumverbrennung zu einem Druck
in-der geschlossenen Kammer von 42 ata geführt hat. Durch die Nacheinspritzung von
Brennstoff steigt der Druck momentan an,. wobei auf dien Druckanstieg eine Periode
annähernd horizontalen Druckverlaufes folgt. Die Linie y schneidet die Expansionslinie
A-B und trifft sie wie die Linie x im Punkt B. Das zweite Verfahren
vergrößert das Ausmaß an Verbrennung, die -bei annähernd konstantem Druck auftritt.
Während die Druckspitze noch weiter als beim ersten. Verfahren herabgezogen werden
kann, sind weitere Erhöhungen des mechanischen Wirkungsgradres möglich.
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Was -soeben an Hand des Ausführungsbeispiels der Fig. 4 für die Entlassung
einer hochgespannten Feutergästeilmenge über dis geöffnete Düsenventil 32, für die
gleichzeitige Entlassung einer niedrigergespannten, Feuergasmenge über dual geöffnete
Düsenvenbi137 einer anderen Verpüffungskammer und für die ebenfalls, gleichzeitige
Entlassung des Feuergasrestes aus einer weiteren Verpuffungskammer durch ein Auslaßventil
ausgeführt worden war, gilt .in zyklischer Vertauschung für die gesamten Feuergasteilmengen.
So war beispielsweise während der Eröffnung ;dies Düsenventils 31 der Verpüffungskammer
27 in Bezug auf eine höhergespannte
Feuergasteilmenge das Düsenventil
3:2 der Verpuffungskammer 28 geschlossen, aber das Düsenventil 38 der gleichen Kammer
geöffnet, so daß in den Düsenvorraum 39, 4o die Absenkung des Gegendruckes stattfand,
die dafür sorgte, daß die über das geöffnete Düsenventil3i auf das Düsen- und Beschaufelungssystem
I, 25 zur Wirkung gebrachte höhergespanate Feuergasteilmenge infolge äquidistanten
Verlaufes von Expansionsuni Gegendrucklinien in den genannten Düsenvorräumen gleiche
Feuergasgefälle erfuhr. Diese zyklische Vertauschung gilt sinngemäß für die niedrigergespannte
Feuergasteilmengen entlassenden Düsenventile und für die die Restfeuergase entlassenden
Auslaßventile.
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Die Erfindung ist in keiner Weise auf die im Ausführungsbeispiiel
veranschaulichte zweistufige Turbinenanordnung beschränkt. Die Absenkung der Gegendrücke
kann bereits bei einer einsttifigen Turbinenanordnung Anwendung finden, um in dieser
gleiche Feuergasgefälle zu erzeugen. Das gilt entsprechend für Aggregate mit mehr
als zwei Turbinenstufen, wobei jedoch zu beachten bleibt, daß der Vergrößerung der
Turbinenstufenzahl eine Erhöhung .der mittleren Beanspruchungstemperaturen entspricht,
so daß es von der Werkstoffentwicklung abhängt, welche Turbinenstufenzahl praktisch
verwirklicht werden kann. Auch die Einhaltung der übrigen für den praktischen Verpuffungsbrennkraftturbinenbau
in Betracht kommenden Betriebsbedingungen setzt der beliebigen Erhöhung der Turbinenstufenzahl
bestimmte Grenzen, als deren Bestmaß zur Zeit die zweistufige Ausbildung angesehen
werden kann, ohne daß der Erfindungsgedanke sich jin ihr erschöpft, weil insoweit
andere, den Gültigkeitsbereich der neuen Regel für technisches Handeln nicht berührende
Faktoren maßgebend sind.
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Wie bereits der Vergleich der gestrichelten Linie 22 der Fig. 2 mit
der strichpunktiert gezeichneten Trennlinie der Fig. 3 ergeben hat, kann der Verlauf
der Gefällebegrenzungs.linie, die in Fig.3 strichpunktiert wiedergegeben ist, nicht
hinreichend durch den Verlauf der Druckkurve 22 charakterisiert werden. Denn außerdem
Druck sind für den Feuergä,szustand, der in bez:ug auf einen anderen Zustand ein
bestimmtes Gefälle ergibt, auch Temperatur und Wärmeinhalt der Feuergase maßgebend.
Es wäre also theoretisch möglich, die Absenkung der Gefällebegrenzungslinnen 35
und 36 in Fig. 6 zu bewirken, ohne den Druck der Feuergase, also den Gegendruck
:in bezug auf ein vorgeordnetes Düsen- und Beschaufelungssystem, zu ändern. Da dadurch
das Wesen der Erfindung nicht verlassen würde, ist also der Ausdruck Gegendruck
in diesem weiteren. Sinne .der diesem Gegendruck korrespondierenden Linie im Q-Tl-Di@agramm
zu verstehen.
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Das Diagramm zeigt zunächst eine Druckspitze, die im Punkt A auftritt
und die dem Verpuffungshöchst- oder Explosionsdruck p1 entspricht. In diesem Diagrammpunkt
öffnet sich das erste der beiden Düsenventile 3 i oder 32, so d-aß die über dieses
Düsenventil entlassene Feuergasteilmenge einer Dehnung unterworfen witd, die bis
zum Punkt B andauert, da sich in diesem Zeitpunkt das erwähnte Düsenventil schließt.
Die Zeitspanne von o,o595 Sekunden, die zwischen den Punkten A und B verläuft, ist
dabei so bemessen, daß nur eine Teilmenge im Verhältnis zur Gesamtmenge .entlas,sen
wird, die sich nach Fig. 6 zu 48,5 % der Gesamtmenge ergibt.
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Im Punkt B der Fig. 5 öffnet sich das zweite Düsenventil
37 oder 38 der Verpuffungskammer und entläßt in einem Arbeitsspielabschnitt,
der sich bis zum Punkt C erstreckt, eine weitere Feuergasteilmenge, deren prozentuedlür-
Anteil an der insgesamt in der gleichen Kammer je Verpuffung erzeugten Feuergasgesamtmenge
durch dIas Maß 25 °/o in Fig. 6 zu erkennen ist. Im Punkt C, in dem sich das zweite
Düsenventil schließt, erreicht die Expansionslinie A-B-C die Linie des Ladeluftdruckes
p., unter dem die Restfeuergasmenge in der Verpuffungskammer steht. Das Ausmaß dieser
Restfeuergasmenge ist tin Fig. 6 mit 26,5 % im Verhältnis zur Gesamtmenge zu erkennen.
Im Zeitpunkt C eröffnen sich. gleichzeitig Ladelufteinlaß-und ein Auslaßorgan für
die Restfeuergase. Beide Ventile schließen sich nach Ablauf einer der zei'_@-lichen
Länge eines Arbeitsspielabschnüttes entsprechenden Zeitdauer im Punkt E. Bei noch
geöffneten Organen hatte aber der Stempel der zugeordneten Brennstoffpumpe ,im Zeitpunkt
D seinen Förderhub begonnen, so daß eine Einspritzung von Brennstoff in die noch
.in Bewegung befindliche Ladeluft unter Bildung eines zündfähigen Gemisches eintrat.
Die Brennstoffeinspritzung ist vor E beendet, so daß bei Schluß der Ladelufteinlaß-
und Restfeuergasauslaßorgane im Zeitpunkt E die Kammer von einem völlig homogenen,
hochzündfähigen Gemisch erfüllt ist. Wenn daher im Zeitpunkt i5 eine Zündung dieses
Gemisches erfolgt, so sind die Verhältnisse @so gewählt, d@aß im Zeitpunkt A der
volle Verpuffungshöchstdruck gerade dann erreicht wird, wenn zwischen. Zeitpunkt
E und diesem zweiten Zeitpunkt A eine Zeitspanne vom Ausmaß der Dauer eines Arbeitsspielabschnittes
abgelaufen ist. In diesem' zweiten Punkt A ist also ein volles Arbeitsspiel mit
schließend, d. h. pausen- und übendeckungslos aneinandergereihten. ArbeitsspielabschnittenA-B,B-C,
C-E und E-A abgewickelt, womit die Verwirklichung des Erfindungsgedankens
diagrammatisch dargestellt ist.
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Das Arbeitsverfahren in den übrigen drei Verpuffungskammern wickelt
sich genau .in derselben Art und Weise ab, wie es in Füg. 5 für die betrachtete
Kammerdargestellt wurde. Jedoch sind, zeitpunktartig gesehen, diese Arbeitsspiele
um die Dauer je eines Arbeitsspielabschnittes gegenüber dem Arbeitsspiel
.der betrachteten Kammer versetzt. Im Diiagramm gesehen bedeutet das also, daß,
wenn in der betrachteten Kammer gerade der höchste Verpuffungsdruck p1 auftritt,
eine zweite Kammer das gleiche Arbeitsspiel bereits um ein Zeitmaß i - o,o595 Sekunden
früher begonnen hatte, d. h., das Arbeitsspiel dieser zweiten Kammer eilt
dem
der betrachteten Kammer um die Zeit 0,0595 Sekunden voraus. Im Zeitpunkt O hatte
also diese zweite Kammer bereits einen Zustand erreicht, der dem Punkt B des -Diagrammz:uges
der Fig. 5 sogar um die Zeitspanne 2 0,0595 vorauseilt, d. h.; diese Kammer hatte
im Zeitpunkt O bereits den. Punkt C des Diagramms der Fig. 5 verwirklicht. Eine
vierte Kammer endlich eilt dem Diagramm der Fig. i uni das Zeitmaß 3 - 0,0595 Sekunden
voraus, d. h., im Zeitpunkt O ist bereits der Diagrammzeitpunkt E erreicht worden.
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Die Fig. 8 und 9 zeigen einen vierkammerigen Öltreibgaserzeuger, der
zur Durchführung -dieses Verfahrens geeignet ausgebildet ist. Seine Steuerwelle
soll 252 vollständige Umläufe je Minute ausführen. Es werden also 252 Arbeitsspiele
je Minute durchgeführt. Damit dauert ein Arbeitsspiel 0,238 Sekunden, und
jeder seiner vier ArbeitsspieIabschnntte nimmt. eine Zeitspanne von 0,0595
-Sekunden
in Anspruch.
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In Fig.9 erkennt man zunächst die vier Verpuffungskammern 62, 63,
64 und 65, die den gemeinsamen Düsen- und Beschäufelungen zugeordnet sind. Nimmt
man an, in Fig. 8 sei die Verpuffungskamrner 65 im Längsschnitt gezeigt, so daß
die Kammer 64 in Ansicht zu sehen ist, so weist jede Kammer zunächst das Ladelufteinlaßventil
66 auf, in das das Brennstoffeinspritzventil 67 mit der Zuführungsleitung
68 eingebaut ist, während die Ladeluftzuführung selbst bei 69 erfolgt. Die
Steuerung des Ladeluftventils ist bei 7o angedeutet. Die Brennstoffleitungen 68
führen zu einer nicht gezeichneten vierstempefligen Brennrstoffpump:e üblicher Ausbildung.
Die Verpuffungskamm#er selbst besitzt ein ventuftdüsenartiges Einlaßiende bei 71,
wobei der Diffuser 72 mit sehr schlanker Neigung ausgeführt ist, so: daß sich die
eintretende Ladeluft kolbenartrig ausbreitet und ohne Bildung nennenswerter Wirbel
die Restfeuergase auszuschieben vermag. Zur Entlassung dieser Restfeuergase vom
Zustand C der Fig. 5 ist das Au.slaßventi1 73 vorgesehen. Außer dem Auslaßventil
73 ist ein Düsenventi174 angeordnet, -das zur Entlassung der Feuergase vom Zustand.
A der Fig. 5 bestimmt ist. Fig. 9 zeigt auf der rechten Seite die Düsenventile 74,
die den Verpuffungskammern 64 und 65 zugeordnet sind. Die als nahezu entlastete
Kolbenventile ausgebildeten Ventile 74 gehen anschließend an den Ventilsitz 75 .in
den Düsenvorraum 76 über, an den sich die Düsen, 77 anschließen. Die Düsen 77 sind
der Beschaufelung 78 des Rades 79 der ersten Turbinenstufe vorgeordnet, so daß also
die Düsen- und Beschaufelungsanordnung 77, 78, 79 der ersten Turbinensiufe Feuergasteilmergen
vom Anfangszustand A der Fig. 5 verarbeitet.
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Außer dem Düsenventil 74 weist jede Verpuffungskamm-er -ein zweites
Düsenventil 8o auf; dessen Ausbildung grundsätzlich mit der des Düsenventils 74
Übereinstimmt. "Den Düsenventilen 8o können besondere Düsen zugeordnet sein, wie
dies. Fig. 9 für die Düsenventile 74 veranschaulicht. Das Ausführungsbeispiel zeigt
eine abweichende Ausführung, indem sich an die Ventilsitze der. Düsenventile 8o
Leitungsteile 81 anschließen, die zu einer Auffüllkammer 82 führen, die zwischen
den beiden Turbinenstufen: der Anlage nach dem Ausführungsbeispiel angeordnet ist.
Diese Auffüllkammer erhält nicht nur Feuergase über die Düsenventile-8o und die
Leitungsteile 8i, sondern sie besitzt außerdem eine Auffangdüsenanordnung83 für
die Feuergasteilmenge, die in: der ersten Turbinenstufe 77, 78, 79 bereits Arbeit
geleistet hatte. Die Auffüllkammer 82 besitzt an ihrem zur Auffangdüsenanordnung
83 entgegengesetzt liegenden Ende eine Auslaßdüsenanordnung 84, die der Beschaufelung
85 des Rades 86 der zweiten Turbinenstufe als beaufschlagend:e Düse vorgeordnet
isst. An die Be` schaufelung 85 schließt sich eine zweite Auffangdüsenanordnüng
87 an, die über einer. Leitungsteil 88 mit dem Mündungsqu:erschniitt der Treibgasentnahmeleitung
89 in offener Verbindung steht. In der Zeichnung nicht erkennbare Leitungsteile
münden 'an der gleichen Stelle aus und führen der Treibgasentnahmeleitung 89 die
Restfeuergäse zu, die über das Auslaßventil 73 zur Entlassung komri1en. Ihre mechanische
Leistung übertragen die Turbinenstufen 77, 78, 79 und 84, 85, 86 über die Wehlego
des Turhinenläufers 79,80 auf etine arbeitsaufnehmende Maschinegi, die als
Verdichter für Ladelift, gegebenenfalls auch für Brenngase, ausgebildet sein kann.
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Das Q-TI-Diagramm der Anlage nach den Fig. 8 und 9 unterscheidet sich
nicht von dem Q-Tl-Diagramm nach Fig. 6.
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. Bei den Ausführungsbeispiielen nach den Fig. io und i i sind die
in den Fig. 4 bis 9 im einzelnen veranschaulichten, vorteilhaften Anwendungsmöglichkeiten
des Grundgedankens der Erfindung im wesentlichen beibehalten worden. Gleichbezeichnete
Teile entsprechen. dabei dienen der Fig.8 und 9. Es besteht jedoch der Unterschiert,
daß dem Auslaßventi,1 73 des Ausführungsbeispieles nach den T'ig. 8 und 9 eine besondere
Düsen- und Beschaufelungsanordnung 96, 97 nachgeordnet worden ist, . wobei durch
Anordnung eines dritten Rades 98 eine dritte Turbinenstufe entsteht. Die Turbinenstufen
84, 85, 86 und 96, 97, 98 haben .dabei einen gemeinsamen Ausströmgehäuseanteil99,
so daß die an Hand,der Fig. 6 dargelegten Vorteile der durch die Lin-nenzüge 36
usw. gekennzeichneten Gegendruckverläufe in bezug auf die zugehöriger Teilexpansionen
35 und B-C erhalten bleiben. Das ist auch beim Ausführungsbeispiel der Fig. i
i der Fall, da hier an die Stelle des gemeinsamen Ausströmgehäuseteiles 99
eine. Auffüllkammer ioo tritt, die durch Einmündung des sich an das Ausdaßventil
73 anschließenden Leitungsbeiles in sie dem Gegendruckverlauf unterworfen bleibt,
der durch die obere Begrenzungslinie 36 der Fläche III in Fig. 6 veranschaulicht
ist. Dadurch bleibt die zweite .Turbin:enstufe 84, 85, 86 einem Gegendruckverlauf
unterworfen, der sich von dem des Ausführungsbeispieles nach den. Fig. 8 und g nicht
wesentlich unterscheidet, so daß die aus Eig. 6 abgeleiteter Fortschritte auch bei
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. i i erhalten bleiben.
Auch die
Läufer der Turbinen nach den Fig. 8, io und ii können entsprechend. dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 4 einkränzig ausgebildet sein, begünstigt durch .den Umstand, daß die
Feuergase aus den Verpuffungskammern in einer Vielzahl aufeinanderfolgender Teilmengen
abströmen, so daß die Nutzbarmachung derselben ledigldch einem kleinen Abfall der
Gesamtenthalpie entspricht.
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Die schraffierten Flächen der Fig. 6 und 7 geben, wie bereits erwähnt,
ein Maß für die disponible Arbeit, die die einzelnen Feuergasteilmengen in den Stufen
der Anlage abzugeben vermögen. Erkennbar ist zunächst die Fläche IQ als Maß für
die Leistung, welche die über die Düsenventile 74 (Fig. 8 und 9) entlassene Feuergasteilmenge
vom Anfangszustand A in der ersten Düsen- und Beschaufelungsanordnung 77, 78, 79
der Anlage zu entwickeln vermag. Dieselbe Feuergasteilmenge kann in der Düsen- und
Beschaufelungsanordnung 84, 85, 86 eine disponible Arbeit abgeben, deren Äquivalent
durch die Fläche Ib dargestellt ist. Andererseits entspricht die Fläche II dem disponiblen
Arbeitsvermögen der über Düsenventile 8o zur Wirkung gebrachten Feuergasteilmenge
vom Anfangszustand B wiederum in der Düsen- und Beschaufelungsanordnung 84, 85,
86.
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Während den Flächen I", Ib und II entsprechende Arbeitsleistungen
in den beiden Stufen 77, 78, 79 und 84, 85, 86 der eigentlichen Verpuffungsturbine
zu entwickeln sind, stellt die Fläche III das disponible Arbeitsvermögen der Feuergase
dar, die als Treibgase in die Treibgasentnahmeleitung 89 eintreten. Sie gelangen
über diese Leitung zur eigentlichen Verbraucherstufe, die in beliebiger Weise ausgebildet
sein kann, etwa als vielstufige Parsonsturbine, um auf diese Weise einen elektrischen
Generator, eine Pumpe oder sonstige Arbeitsmaschinen anzutreiben. Die Treibgase
können auch rein thermisch, rein chemisch, rein pneumatisch oder in beliebigen Verbindungen
dieser Möglichkeiten ausgenutzt und verbraucht werden.
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An dem Verhältnis der Fläche III zur Summe der Flächen IQ, Ib und
II ist bereits erkennbar, daß die Anlage mit überraschend hohem wirtschaftlichem
Wirkungsgrad arbeitet, wenn man die Feststellung berücksichtigt, daß die gemäß der
erwähnten Flächensumme zur Verfügung stehende Leistung der Verpuffungsturbine ausreicht,
alle Hilfsmaschinen, insbesondere den Ladeluftverdichter, anzutreiben, ohne darauf
angewiesen zu sein, die Abwärme der Anlage nutzbringend verwerten zu müssen, um
auf diese Weise den erforderlichen Verdichtungsaufwand wenigstens zum Teil bestreiten
zu können. Das ergibt die erfindungsgemäß erkannte Möglichkeit, den Zustand der
Feuergase außerhalb der Verpuffungskammern und der Düsen- und Beschaufelungsanordnungen
völlig unverändert zu lassen. Ebenso werden die Kühlmittel der Anlage, die zur Kühlung
der Kammern, Düsen, Beschaufelungen, Räder, Welle und Ventile Anwendung finden,
nach Aufnahme der Kühlwärme abgeführt, ohne daß die Kühlwärme entzogen wird. Da
in den meisten Fällen jedoch besondere Kühlmittel mit hochliegendem Siedepunkt verwandt
werden, wäre es unwirtschaftlich, diese Kühlmittel aus der Anlage zu entfernen;
in diesem Falle wird die Rückkühlanlage beibehalten, aber das Rückkühlmittel nach
Aufnahme der Rückkühlwärme entlassen, wobei dieses Rückkühlmittel durchweg aus Wasser
oder Luft besteht. Ebenso wird darauf verzichtet, die fühlbare Wärme der Ausströmgase
der letzten Beschaufelung auszunutzen. Die Ausströmgase werden vielmehr mit der
fühlbaren Wärme aus der Anlage entlassen, ohne daß die Wärme für die Zwecke der
Verpuffungsturbinenstufe der Anlage bzw. des Hilfsmaschinenantriebes ausgenutzt
würde. Dem entspricht es, daß die Feuergasüberführungsleitungen innerhalb und nach
der Verpuffungsturbinenstufe mit vollem lichtem Querschnitt ausgeführt sind. Sie
sind zur Einhaltung gleicher Gasgeschwindigkeiten trotz Einbaues von Wärmetauschern
weder zu vergrößern, noch wird ihr lichter Querschnitt durch Einbau von Wärmetauschern
verringert. Die zwischen den einzelnen Druckstufen der Verpuffungsturbine liegenden
Feuergasüberführungsleitungen sind sämtlich innerhalb des Turbinengehäuses 41 angeordnet,
an das sich lediglich die Treibgasentnahmeleitung 48 (Fig. 4) bzw. 89 (Fig.8 und
i i) anschließt, um die erzeugten Treibgase einem Verbraucher zuführen zu können.
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Obwohl die Unterteilung der in den Verpuffungskammern erzeugten, hochgespannten
und hocherhitzten Feuergase (Frischgase) in Teil,gasmengen ein besonders bemerkenswertes
Merkanal vorliegender Erfindung darstellt, ist ohne weiteres einzusehen, daß die
Möglichkeit, die Dauer der einzelnen Arbeitsspielabschnitte, die Anzahl der Verpuffungskammern
bzw. der parallel arbeitenden Verpuffungskammern je einer Gruppe und die Versetzung
der Arbeitsspielabschnitte in den einzelnen Kammern gegeneinander dahin zu bestimmen,
daß die Düsen- und Beschaufelungsanordnungen einen kontinuierlichen Frischgasstrom
mit dem Ergebnis aufnehmen, daß auf die Turbinenwelle ständig ein gleichbleibendes
Drehmoment ausgeübt wird, auch ohne diese Unterteilung der insgesamt erzeugten Feuergasmenge
erreicht werden kann. Denn dieser Zustand ist unabhängig von der Art und Weise,
in der die Frischgase-während jedes Arbeitsspieles entladen werden, da es nur darauf
ankommt, daß die Entladung der Frischgase aus einer bestimmten Kammer sich unmittelbar
an das Ende der Frischgasentladung aus einer anderen Kammer anschließt. Es ist auch
nicht@vori wesentlicher Bedeutung, daß die Ausspülung einer Verpuffungskammer von
Restverbrennungsgasen zeitlich mit der Ladung der gleichen Kammer mit Luft und Brennstoff
zusammenfällt. Es ist ohne weiteres möglich, diese Spülung während eines besonderen,
nur hierfür bestimmten Arbeitsspielabschnittes durchzuführen oder die Spülung in
einem Arbeitsspielabschnitt durchzuführen, der der Ladung einer Kammer unmittelbar
voraufgeht.
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Aus den obigen Ausführungen ergibt sich weiter, daß die Gase, welche
in Fig. 4 die erste Düsen- und Beschaufelungsanordnung 30, 25". 25 verlassen
haben,
und diejenigen Gase, die durch die Düsenventile 37 oder 38 in die Sammelkammern
39, 40 entlassen werden, in diese Kammern gleichzeitig eintreten, dort zur Vermischung
unter Druckausgleich kommen und in diesem Zustand zur Düsenanordnung II gelangen.
Die thermodynamische Behandlung des gleichen Vorganges in den Fig.6 und 7 erforderte
dagegen eine getrennte Behandlung beider Teilgasmengen, um in die Lage zu kommen,
in den beiden Diagrammen die Arbeitsflächen zu veranschaulichen, die den Leistungen
entsprechen, die in der Beschaufelungsanordnung 26 von jeder der beiden Teilgasmengen
entwickelt werden. Die Diagramme dürfen daher nicht dahin aufgefaßt werden, daß
die beiden Gasteilmengen in der zweiten BeschaufelungsanQrdnung unabhängig voneinander
zur Wirkung kommen, so daß den Diagrammen in bezug auf diese gesonderte Behandlung
nur theoretische Bedeutung zukommt.
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Es liegt weiter im Wesen der Erfindung, daß es nur bevorzugten Ausführungsformen
entspricht, wenn alle Arbeitsspielabschnitte die gleiche Dauer besitzen. Wesentlich
ist nur, daß die Zeitspannen gleich sind, in denen sich die Teilexpansionen der
Teilgasmengen vollziehen, und daß die Dauer eines Arbeitsspielabschnittes im wesentlichen
dem Quotienten aus der Dauer eines Arbeitsspieles und der Zahl der Verpuffungskammern
entspricht, die in ihren Arbeitsspielen gegeneinander versetzt sind, um eine kontinuierliche
Beaufschlagung zu erreichen.
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Es liegt auch im Wesen der Erfindung, daß die angegebenen Zahlenwerte
für Temperaturen, Drücke, Arbeitsspielzahlen je Zeiteinheit, .Radumfangsgeschwindigkeiten
usw. nur Beispielsangaben darstellen, ohne daß sie wesentliche Kennzeichen der Ausführungsbeispiele
oder gar der Erfindung selbst sind.
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Die Steuerung der beschriebenen Ein- und Auslaßorgane, die in Form
von Ventilen veranschaulicht worden sind, an deren Stelle aber auch ohne weiteres
Schieber, membrangesteuerte Aus- und Einlässe od. dgl. treten können, kann auf die.verschiedenste
Weise vorgenommen werden, etwa mechanisch, pneumatisch, hydraulisch, elektrisch,
magnetisch, elektromagnetisch, hydromechanisch, hydroelektrisch, pneumomechanisch,
pneumoelektrisch oder in sonstwie geeigneter Weise. Derartige Steuerungen und Vorrichtungen
zur Regelung der gesteuerten Vorgänge sind bekannt und sind nicht Gegenstand der
Erfindung.