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Gasturbine für feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe Die Erfindung
knüpft an Gasturbinen an, die aus zwei Hauptteilen bestehen, und zwar aus - dem
motorähnlichen Treibgaserzeuger, in dem verdichtete Frischluft mit angesaugtem Brennstoff
zur Entzündung gebracht wird, und dem turbinenähnlichen Teil, in dem die verbrannten
Gase in mechanische Arbeit umgesetzt werden.
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Es sind Gasturbinen bekannt, bei denen die Luft in einem Kolbenverdichter
verdichtet und zur Verbrennung des Brennstoffes in einer außerhalb des Zylinders
liegenden Brennkammer verwendet wird, deren Verbrennungsgase die am Umfang eines
Läufers angeordneten Schaufeln beaufschlagen.
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Die erfindungsgemäße Gasturbine besitzt einen Kolbenverdichter mit
getrenntem Brennraum, in dem hochverdichtete Luft mit Brennstoff durch Selbstentzündung
zur Verbrennung gelangt. Die Verbrennungsgase strömen aber nicht wie bei den bekannten
Gasturbinen auf die Schaufeln eines Läufers, sondern auf die Schaufeln eines endlosen
Schaufelbandes und treffen nach Verlassen derselben ohne Richtungswechsel auf andere
Schaufeln desselben Schaufelbandes. Es tritt somit kein Energieverlust durch ständigen
Richtungswechsel, wie er bei Läuferturbinen mit Lauf- und Leitschaufelkränzen gegeben
ist, ein. Ebenfalls fällt der Wärmeverlust, der durch die erwähnten Leitschaufelkränze
infolge des Richtungswechsels auftritt, weg. Durch die Anordnung eines endlosen
Schaufelbandes ist eine selbsttätige Frischluftkühlurig
aller Schaufeln
in regelmäßigem Abstand möglich. Hierdurch wird die Beanspruchung des Schaufelwerkstoffes
geringer, bzw. seine Lebensdauer günstig beeinflußt, eine niedrigere Gesamttemperatur
der Turbine erreicht und der Strom der Abgase gleichzeitig mit vorgewärmter Frischluft
durchwirbelt, was von Vorteil ist, wenn eine Abgasturbine betrieben wird. Auch wird
bei Verbrennung fester Brennstoffe, wie z. B. Kohlenstaub, der Kühlstrom frischer
Luft .etwaige Verbrennungsrückstände entfernen, das vorgesehene Volumen zwischen
den Schaufeln konstant halten und die Wärmeausdehnung begrenzen. Ein Vorteil gegenüber
den bekannten Gasturbinen liegt in dem Umstand, daß das Schließen des Brennraumes
nicht durch ein von außen her betätigtes Auslaßventil, sondern durch einen Teil
der zur Verbrennung des Brennstoffes erforderlichen verdichteten Luft erfolgt, die
nach Öffnung des Brennraumes durch Rückströmen ein beschleunigtes Spülen des Brennraumes
selbst bewirkt, damit einen Brennraum .schafft, der stets frei von Abgasresten oder
Verbrennungsrückständen ist und ein weiches Schliwßen des Brennraumes herbeiführt.
Während bei den konzentrisch um eine Achse rotierenden Läufern mit Schaufeln nur
ein Teildruck nutzbar gemacht werden kann, da der auf die Schaufeln auftreffende
Druck in zwei Komponenten zerlegt wird, erfolgt bei dem Schaufelband der Druck der
Verbrennungsgase in Laufrichtung des Bandes. Dieser Umstand führt einerseits zu
einem besseren Wirkungsgrad und ergibt andrerseits geringere Schwingungen trotz
veränderlicher Drehzahlen, da in solch einem Fall sich wohl die Stärke, aber nicht
die Richtung der beweglichen Teile ändert. Hinzu kommt, daß die Drehmassen eines
Schaufelbandes bedeutend geringer sind als diejenigen eines Läufers mit Schaufeln,
wodurch ebenfalls geringere Schwingungen auftreten. Besonders günstig wird sich
die erfindungsgemäße Ausbildung der Gasturbine im Fahrzeügantrieb auswirken, da
-der Druck der Verbrennungsgase auf das Schaufelband mit der Hauptbewegungsrichtung
des Fahrzeuges zusammenfällt, und die Gefahr durch zu starke Schwingungen und zu
große Drehmassen infolge der oft schlagartig veränderten Fahrgeschwindigkeit größtenteils
vermieden wird. Alle Läuferturbinen, ob sie durch Verbrennungsgase oder Dampf angetrieben
werden, haben den Nachteil, daß keine maßlichen Veränderungen durch Wärmeausdehnung
erfolgen dürfen, da diese bekanntermaßen zu Beschädigungen, wenn nicht gar zu voller
Zerstörung führen können. Es bestehen bei ihnen große Schwierigkeiten, derartige
Veränderungen zu beheben. Diese Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß dadurch behoben,
daß das Schaufelband nur an -' einem Ende fest gelagert ist, während das Doppelkettenrad
des anderen Endes beweglich gelagert ist. Hierdurch werden nicht nur Längenausdehnung
durch Wärme, sondern auch solche der Schaufelkette bei natürlichem Verschleiß ausgeglichen.
Außerdem fällt- das Auswuchten der Läufer, das Vorbedingung für einwandfreien Lauf
ist, weg. _ Dieser Umstand spielt bei Verwendung zum Fahrzeugantrieb eine wichtige
Rolle.
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Eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist aus
den beigefügten Zeichnungen zu ersehen. .
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Abb. r stellt einen schematischen Längsschnitt der gesamten Anlage,
Abb. 2 einen Querschnitt dar; Abb. 3 zeigt den Treibgaserzeuger, Abb. q. die Schaufelkette.
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Die Wirkungsweise ist folgendermaßen: Der in Abb. 3 dargestellte Hauptkolben
K in dem Zylinder Z saugt beim Abwärtsgang Frischluft durch das Ventil Y2 an. Während
dieser Zeit ist der Verschlußdeckel D2 des Brennraumes R1 durch die Feder F geschlossen.
Geht der Kolben K aufwärts; so komprimiert er die angesaugte Luft und drückt gleichzeitig
einen Bruchteil dieser Luft durch den ventillosen Kanal a in den Nebenzylinder R2,
und zwar gegen den Deckel D1, der starr mit dem Deckel D2 verbunden ist. Auf diese
Weise bleibt der Brennraum R1 während der gesamten Zeit des Füllens dicht abgeschlossen,
bis die Verbrennung einsetzt. Erst gegen Ende des Verdichtungshubes des Kolbens
K wird das Auslaßventil V1 geöffnet, so daß die verdichtete Luft vom Zylinder Z
über die Überströmleitung b in den Brennraum R1 gelangt und dabei an der Stelle
Br Brennstoff injektorartig in die Leitung b einsaugt, von der aus das gut durchwirbelte
Gemisch in den eigentlichen Brennraum R1 gelangt und dort gezündet wird. Da die
Kolbenfläche des Deckels D2 kleiner ist als die des Deckels D1, herrscht bis rzur
Zündung des Brennstoffes im Brennraum R1 stets auf der anderen Seite des Deckels
D2 ein Überdruck, der einen dichten Abschluß des Brennraumes garantiert. Dieser
Vorgang zeigt, daß der Brennstoff trotz hochkomprimierter Luftladung ohne eine zusätzliche
Einspritzpumpe in den Brennraum gelangt. Die Zündung setzt kurz vor der Totpunktstellung
des Hauptkolbens K ein, so daß auch dann noch Luft nachströmt, wenn die Zündung
eingeleitet ist, aber infolge der Trägheit des Gemisches der Verbrennungsdruck sich
noch nicht stoßartig auswirkt. Hierdurch wird eine fast vollkommene Verbrennung
bei relativ geringen Drücken erreicht.
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Der Druck der Verbrennungsgase stößt den Verschlußdeckel D2 des Brennraumes
auf, da in diesem Augenblick der Verbrennungsdruck größer ist als der Gegendruck
der komprimierten Luft im Nebenzylinder R2. Auch hat zur gleichen Zeit der Kolben
K seine Totpunktstellung überschritten und geht abwärts, so daß die Luft aus dem
Nebenzylinder R2 durch den Kanal a und den oberen Teil des Zylinders Z infolge ihrer
hohen Spannung einerseits durch Kanal b in den Brennraum R1 vordringt ünd die Restgase
hinäusspült, andrerseits aber mit ihrer Hauptmasse den Kolben K abwärts treibt.
Die Verbrennungsgase treffen, durch den Stutzen St strömend, auf die erste Schaufelreihe
S1 des Kettenbandes. Das Öffnen des Brennraumes R1 erfolgt zwar schlagartig durch
den plötzlich auftretenden hohen Verbrennungsdruck, jedoch schlägt der Verschlußdeckel
nicht
sogleich in seine Endstellung zurück, da er pufferartig durch die auf der Gegenseite
sich allmählich entspannende Luft des Nebenzylinders R2 und außerdem von der Druckfeder
F abgefangen wird. Hierdurch werden harte Schläge einerseits und eine zu schnelle.
Entspannung des expandierenden Gases andrerseits verhindert und ein weiches Öffnen
und Schließen des Verbrennungsraumes sichergestellt, der auf diese Weise keine Verbrennungsgase
mehr enthält: Der turbinenähnliche Teil besteht aus zwei endlosen Doppelketten,
die durch Schaufeln Sch verbunden sind und über Doppelkettenräder laufen, wie dies
in Abb. i dargestellt ist. Die Laufschaufeln Sch bewegen sich derart an den feststehenden
Stutzen St vorbei, daß durchströmende Gase nicht austreten können. Die durch den
Stutzen St aus dem Brennraum Ri austretenden Verbrennungsgase stoßen auf die untere
Laufschaufelreihe S1, treiben diese in Pfeilrichtung weiter, strömen vorwärts ohne
Richtungsänderung durch feste Leitwände L auf die Laufschaufeln S, derselben Kette
und setzen den Rest ihrer Energie in mechanische Arbeit um, da sie die Kette in
derselben Richtung antreiben. Nach Verlassen der oberen Laufschaufeln S.. geben
sie dann auf dem Wege zum Auspuff ihre letzte Energie in einer Gasturbine ab, deren
Kettenrad auch die Schaufelkette in derselben Richtung antreibt. Die den Auspuff
verlassenden Gase sind nach dieser mehrstufigen Arbeitsleistung vollständig entspannt.
Wie Abb. 5 zeigt, ist es aber ohne weiteres möglich, die Expansion noch weiter zu
treiben. Von der restlosen Expansion hängt in erster Linie der Wirkungsgrad ab.
Während die heißen Verbrennungsgase auf den geraden horizontalen Strecken der Ketten
durch deren Schaufeln strömen, streicht an den Kettenrändern Frischluft durch die
heißen Schaufelreihen und kühlt sie jedesmal; bevor sie von heißen Verbrennungsgasen
aufs neue angeströmt werden, auf eine tragbare Temperatur ab. Je höher die Umdrehungszahl,
desto stärker die Kühlung, da der Sog, der die Frischluft ansaugt, an den Stirnflächen
proportional der Kettengeschwindigkeit etwa verhältnisgleich ist. Auch ist es möglich,
bei großen Leistungen und entsprechend großen Abmessungen die starren Leitwände
I_ doppelwandig mit Kühlung von innen auszuführen. Durch die relativ einfache und
doch selbstregelnde Kühlung der erhitzten Laufschaufeln und ihrer Ketten werden
nicht nur nachteilige Wärmeausdehnungen der Einzelteile verhindert, sondern auch
das Problem des Schaufelwerkstoffes gelöst, sowie die Anforderungen an Präzision
von Lagerung und Einzelteilen auf ein tragbares Maß für Gebrauchs- bzw. Fahrzeugmotoren
herabgesetzt. Alle Kettenräder laufen in der gleichen Drehrichtung, ohne mit hocherhitzten
Gasen in Berührung zu kommen. Ihre summierte Kraft wird durch ein Zwischenzahnrad
auf die gemeinsame Antriebswelle übertragen, die wiederum die Kurbelwelle antreibt.
Da mit einem oder mehreren Arbeitszylindern gefahren werden kann, läßt sich die
jeweilige Leistung bei Herstellung und auch im Betriebe ohne bauliche Veränderungen
regulieren. Schwungmassen werden entbehrlich, axiale Beanspruchungen sind nicht
vorhanden. Da keine stoßartigen, vor allem aber keine wechselnden Belastungen auftreten,
können für sämtliche Lager Wälzlager vorgesehen werden, da sie von außen zugänglich
sind und die gesamte Schmierung unkompliziert gestalten. Doppel-_Rollenketten laufen
erfahrungsgemäß ruhig, besonders wenn ihre Kettenräder in Wälzlagern ruhen. Sie
haben geringen Gleitwiderstand und Verschleiß, wenn sie wie im vorliegenden Fall
staubfrei arbeiten.
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Wesentlich ist der Umstand, daß sie für jeden flüssigen und gasförmigen
Brennstoff, also auch für Kohlenstaub, geeignet ist, da Rückstände der Verbrennungsgase
nicht in den Arbeitszylinder gelangen und in den Schaufeln nicht verbleiben können.
Selbst Dampf und Preßluft lassen sich wegen der vorteilhaften Expansion als Antriebsmittel
verwenden. Das Wesen der Erfindung ist eine Gasturbine mit selbsttätiger Kühlung
und mehrstufiger Expansion, die ihren Antrieb durch Schaufelbänder erhält.