DE959867C - Vorzugsweise als Treibgaserzeuger ausgebildete Verpuffungsbrennkraftturbine - Google Patents

Vorzugsweise als Treibgaserzeuger ausgebildete Verpuffungsbrennkraftturbine

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DE959867C
DE959867C DESCH11324A DESC011324A DE959867C DE 959867 C DE959867 C DE 959867C DE SCH11324 A DESCH11324 A DE SCH11324A DE SC011324 A DESC011324 A DE SC011324A DE 959867 C DE959867 C DE 959867C
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DESCH11324A
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Dr-Ing E H Hans Holzwarth
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SCHILLING ESTATE Co
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C5/00Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion
    • F02C5/12Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion the combustion chambers having inlet or outlet valves, e.g. Holzwarth gas-turbine plants

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Description

  • Vorzugsweise als Treibgaserzeuger ausgebildete Verpuffungsbrennkraftturbine Vorliegende Erfindung bezieht sich auf vorzugsweise als Treibgaserzeuger ausgebildete Verpuffungsbrennkraftturbinen mit zur Treibgasdehnung vor einer Beschaufelung konformer Gegendruckabsenkung hinter der Beschaufelung und mit Verpuffungskammern, die mehrere gesteuerte Zapfstellen zur Entnahme von Feuergasteilmengen aufweisen, mittels deren die Gegendrücke erzeugt werden.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das Arbeitsverfahren derartiger Verpuffungsbrennkraftturbinen weitgehend ihren konstruktiven Aufbau bestimmt. Verfolgt man die diesbezügliche Entwicklung, so stellt man fest, daß man ursprünglich von Turbinenanordnungen mit vertikaler Turbinenachse ausging, um die die Verpuffungskammern im Kreise so angeordnet waren, daß ihre Hälse, die durch Düsenventile eröffnungs- und verschließbar ausgebildet waren, die Treibgase auf die oberhalb dieser Hälse liegende Düsen- und Beschaufelungsanordnung entlassen. Später ging man von der bei dieser Turbinengattung verwirklichten einstufigen Dehnung zu Verpuffungsbrennkraftturbinen über, bei der die Verbrennungsgase in mindestens zwei Stufen verarbeitet wurden, wobei die erste Stufe durchweg mit einer Curtisbeschaufe- Jung versehen war, während man in der zweiten und in den folgenden Stufen die Ausströmgase der Curtisstufe nach Ausgleich der Drücke und Temperaturen Parsonsbeschaufelungen, im Sonderfall auch weiteren Curtisbeschaufelungen zuführte. In diesem Falle ordnete man die Verpuffungskammern mit ihren Längsachsen auf einem gedachten Zylindermantel an, dessen Erzeugende parallel zur Turbinenachse verläuft, wobei dieVerpuffungskammern in axialer Richtung der Curtisbeschaufelung in der Hochdruckstufe vorgeschaltet waren. Es ergaben sich also beträchtliche Baulängen der Turbinen, so daß die weitere Entwicklung der Explosionsturbinen von dem Wunsche gelenkt war, die Baulängen wesentlich zu verringern. Das geschah dadurch, daß man die horizontal verlaufenden Turbinenachsen beibehielt, die Längsachsen der Verpuffungskammern aber senkrecht zur Achse der Turbinenwelle anordnete und die Verpuffungskammern selbst unter dem Maschinenflur versenkt unterbrachte. Bei dieser weiteren Entwicklung behielt man die mehrstufige Abarbeitung der erzeugten Feuergase bei.
  • Inzwischen aber wurde das Arbeitsverfahren geändert, und zwar ging man zu solchen Ausbildungen von Verpuffungsbrennkraftturbinen über, daß diese praktisch nur noch zu rotierenden Treibgaserzeugern oder Druckgasgeneratoren wurden. Dadurch bestand die Möglichkeit, als Verbraucher der erzeugten Treibgase Turbinen heranzuziehen, die keine grundsätzlichen Abweichungen von der Dampfturbinenbauart zeigen mit dem einzigen Unterschied, daß sie die zur Verarbeitung der verhältnismäßig hoch temperierten Gase erforderlichen Werkstoffe aufweisen. Der Übergang zu einem derartigen Betriebsverfahren bedeutet also, daß die den leistungserzeugenden Teil des Treibgaserzeugers bildende Verpuffungsbrennkraftturbine ihre äußere Leistung im wesentlichen zum Betrieb der Hilfsmaschinen, insbesondere der Betriebsmittelverdichter, abgibt, wobei diese Verdichter aus Luftverdichtern und für den Fall, daß gasförmige Brennstoffe zur Verwendung gelangen, aus Gasverdichtern bestehen. Außerdem sollen die erforderlichen Hilfsmaschinen in Form von Kühlmittelumwälzpumpen, Schmiermittelpumpen, Brennstoffeinspritzpumpen für den Fall der Verwendung flüssiger Brennstoffe, Nachladeluftverdichtern und sonstigen Hilfsmaschinen angetrieben werden. Außerdem war die weitere Aufgabe zu erfüllen, den Wirkungsgrad derartiger Verpuffungsbrennkraftturbinen so hoch zu halten, daß man nicht mehr auf die Ausnutzung der Abwärme, d. h. der Kühl- und Abgaswärme, :angewiesen war. Denn die Ausnutzung dieser Abwärme bedeutet, daß sperrige, schwere und kostspielige Wärmetauscher verwirklicht werden müssen, die den grundsätzlich einfach und gedrängt zu haltenden Aufbau der Turbine stören, insbesondere dann, wenn die erzeugten Treibgase zum Antrieb von Fahr- und Flugzeugen dienen sollen. Der Wirkungsgrad von Explosionsturbinen kann jedoch nur dadurch auf die hiernach erforderliche Höhe gesteigert werden, wenn die Radwirkungsgrade wesentlich zu steigern waren. Der Steigerung der Radwirkungsgrade stand bei den eingangs erörterten ein- und mehrstufigen Ausbildungen derartiger Explosionsturbinen jedoch der Umstand entgegen, daß in den Beschaufelungen dieser Turbine stark wechselnde Enthalpiegefälle verarbeitet werden mußten. Es wurde daher eine grundsätzliche Änderung des Arbeitsverfahrens erforderlich, um zu höheren Radwirkungsgraden und damit zu einer Ausbildung der Explosionsturbinen kommen zu können, die die Abwärmeausnutzung entbehrlich macht. Nach früheren Vorschlägen gelingt das dadurch, daß eine zur Treibgasdehnung vor einer Beschaufelung konforme Gegendruckabsenkung hinter der Beschaufelung durchgeführt wird. Das erfordert Verpuffungskammern, die mehrere gesteuerte Zapfstellen zur Entnahme von Feuergasteilmengen aufweisen, weil es mit Hilfe dieser abgezapften Feuergasteilmengen möglich ist, diese zur Dehnung vor den Beschaufelungen konforme und synchrone Gegendruckabsenkung mit besonders einfachen Mitteln zu erreichen. Damit sind Bedingungen gegeben, die zu einer neuen baulichen Gestaltung des Aufbaues von Verpuffungsbrennkraftturbinen führen, wenn der weiteren Bedingung zu genügen ist, eine möglichst große Leistung auf kleinstem Raum bei einem Mindestaufwand an Gewicht unterzubringen. Diese Turbinenausbildung kennzeichnet sich erfindungsgemäß, ausgehend von dem früheren Vorschlag, eine zur Treibgasdehnung vor einer Beschaufelung konforme Gegendruckabsenkung hinter der Beschaufelung, in Treibgasrichtung gesehen, durchzuführen, dadurch, daß die Verpuffungskammern, die demgemäß mehrere gesteuerte Zapfstellen zur Entnahme von Feuergasteilmengen, mittels derer die Gegendrücke erzeugt werden, aufweisen, um die Düsen- und Beschaufelungsanordnungen einkapselnde Gehäuse unter im wesentlichen axialer Deckung von Gehäuse und Kammern angeordnet sind, wobei die Düsen- und Beschaufelungsanordnungen in radialer Richtung zweckmäßig unmittelbar an die Zapfstellen der Verpuffungskammern angeschlossen sind. Dadurch ergibt sich ein außerordentlich gedrängter, übersichtlicher und leichter Aufbau des als Verpuffungsbrennkraftturbine ausgebildeten Treibgaserzeugeraggregates, so daß es beispielsweise möglich geworden ist, eine Leistung von etwa 2o ooo kW innerhalb eines Kubikmeters Raumbedarf unterzubringen. Vergleicht man diesen Raumbedarf mit dem Raumbedarf einer Dampfturbine und einer Kesselanlage gleicher Leistung, so ergibt sich der erhebliche Fortschritt vorliegender Erfindung dem Bekannten gegenüber, der auch dann erhalten bleibt, wenn man den Raumbedarf von Dieselmaschinen oder Gleichdruckturbinen gleicher Leistung vergleicht.
  • Die neue Ausbildung derartiger Verpuffungsbrennkraftturbinen bedeutet, daß die axiale Länge des Treibgaserzeugers nicht größer wird als die axiale Länge seiner Hauptteile. Es fällt auch die Erstreckung der Anlage in unterhalb des Maschinenflurs liegende Räume fort, die eintrat, wenn man die Längsachsen der Verpuffungskammern senkrecht zur Läuferachse anordnete. Die so erreichte Raumbeschränkung der Anlage ist bei zahlreichen Einbaufällen von entscheidender Bedeutung für die Möglichkeit der Verwendung der Wärmekraftanlage mit mindestens einer Verpuffungsturbinenstufe.
  • Ein derartiger Fall liegt beispielsweise vor beim Einbau des Triebwerkes in den Flügel von Flugzeugen, beim Einbau in Unterseeboote, torpedoförmige Geschosse und bei vielen anderen Anwendungen, bei denen zur Unterbringung der Kraftmaschine nur ein beschränkter Raum zur Verfügung steht. Ein derartiger Fall ist auch gegeben beim Einbau der Kraftanlage in unterirdische Räume etwa bei Bergwerken, Sicherheitsstollen, weiter beim Einbau in Lokomotiven, Triebwagen, Schnellboote, Schiffe usw.
  • Die neue Anordnung führt zu einer Reihe weiterer vorteilhafter Möglichkeiten, dadurch, daß die Kammern am Turbinengehäuse unmittelbar anliegend ausgebildet werden können. Das führt dazu, daß die hochgespannten, hocherhitzten und vor allem schnellströmenden Feuergase mit der ihnen eigenen Neigung zu hohen Wärmeübergängen äußerst kurze Leitungswege vorfinden, so daß die Wärmeübergänge - entsprechend der Reduzierung der Wärmeübergangsflächen auf ein Minimum -entsprechend klein ausfallen.
  • Zur Verbindung von Gehäuse und Kammern stehen dabei die verschiedensten Möglichkeiten zur Verfügung.
  • Gehäuse und Kammern können zunächst verflanscht bzw. verschraubt sein. Es besteht die weitere Möglichkeit, sie auch aus einem Stück zu gießen oder miteinander zu verschweißen.
  • Man ordnete bisher die Düsenventile, d. h. die Ventile, über die den Kammern Feuergase zwecks Zuleitung derselben zu den Düsen der Beschaufelungen der eigentlichen Verpuffungsturbine periodisch entnommen werden, und die Auslaßventile, über die man aus den Verpuffungskammern den Feuergasrest abzieht, zu dessen Verdrängung aus den Kammern dabei durchweg die Ladeluft benutzt wird, die im nächsten Arbeitsspiel als Verbrennungsluft dient, gemeinsam am Kopf der Verpuffungskammern an, soweit man die Auslaßventile nicht unmittelbar am Gehäuse in nächster Nähe der zugeordneten Düsen vorsah; aber auch im zuletztgenannten Falle ließ man die zu den Auslaßventilen führende Entnahmeleitung im Kammerkopf in der Nähe des Düsenventils ausmünden. Eine andere Möglichkeit wäre auch bei der in diesen Fällen üblichen, senkrechten Anordnung der Kammerlängsachse zur Läuferachse thermodynamisch ungünstig gewesen. Dagegen gibt die erfindungsgemäß getroffene neue Anordnung ohne weiteres die Möglichkeit, unter Beschränkung der Wärmeübergangswerte auf ein Kleinstmaß Feuergase stets dort aus den Kammern abzuführen, wo die Verbraucherstelle jeweils liegt. Das ist besonders günstig für die Durchführung des bereits erwähnten Arbeitsverfahrens, bei dem man Feuergasteilmengen benutzt, um eine Gegendruckbildung durchzuführen, die den Charakter einer Expansion besitzt. Die so bewußt hervorgerufene Senkung des Gegendruckes während der Expansion der die betrachtete Düsen-und Beschaufelungsanordnung gerade beaufschlagenden Feuergasteilmenge führt notwendigerweise dazu, daß Beaufschlagungs- und Gegendrücke mit praktisch gleicher Druckdifferenz verlaufen, so daß entsprechend das auf die betrachtete Beschaufelung entfallende Feuergasteilgefälle annähernd konstant verläuft. In einem Druck-Zeit-Diagramm drückt sich das durch äquidistanten Verlauf von Expansions- und Gegendrucklinien aus. Allerdings ist Voraussetzung zur Durchführung eines derartigen Arbeitsverfahrens, daß die angegebene Gestaltung des Gegendruckverlaufes synchron zu den Änderungen der Beaufschlagungsdrücke erfolgt. Das kann dadurch erreicht werden, daß man die zur Gegendruckerzeugung benutzte Feuergasteilmenge in der Zeitspanne zur Wirkung bringt, in der eine höhergespannte Feuergasteilmenge in der Düsen-und Beschaufelungsanordnung der Expansion, etwa bis auf die Anfangsspannung des Gegendruckverlaufes, unterworfen wird. Das Mittel zur Synchronisierung dieser Vorgänge besteht in der Versetzung der Steuerphasen der Anzapfventile, über die die höhergespannte, die Beaufschlagungsdrücke liefernde Feuergasteilmenge der einen Kammer und die niedrigergespannte, die Gegendrücke liefernde Feuergasteilmenge aus einer anderen Kammer abgezapft werden. Demgemäß besteht infolge der vorgeschlagenen Ausbildung die Möglichkeit, die Zapfstellen den Düsen und Beschaufelungen unmittelbar gegenüber anzuordnen. An den Zapfstellen selbst sind dabei gesteuerte Entnahmeorgane vorgesehen, die wiederum als Düsenventile für Feuergasteilmengen von höherem Anfangsdruck als der Ladeluftspannung und als Auslaßventile für den Feuergasrest einer mit dem Ladeluftdruck übereinstimmenden Anfangsspannung ausgebildet sein können; man gibt dem Feuergasrest zweckmäßig diese Anfangsspannung, damit die Ladeluft beim Verdrängen des Feuergasrestes keinen zu unnötigen Verlusten Anlaß gebenden Druckabfall in der Kammer erleidet.
  • Damit sind die Fortschritte, zu denen die neue Anordnung auf dem Gebiete der Verpuffungsturbinentechnik führt, jedoch in keiner Weise erschöpfend aufgezählt. Werden zur Speisung der Verbraucherstufe Verpuffungsturbinenstufen aus je einer die Hilfsmaschinen der Anlage antreibenden Düsen- und Beschaufelungsanordnung und einer Reihe letzterer zugeordneter, mit ihren Längsachsen parallel zur Achse der Düsen- und Beschaufelungsanordnung unter ganzer oder teilweiser Deckung von Beschaufelungsgehäuse- und Verpuffungskammetnlängserstreckungen angeordneter Verpuffungskammern vorgesehen, so ergeben sich äußerst vorteilhafte Gesamtanordnungen zunächst dadurch, daß die Hilfsmaschinen, vorzugsweise der Ladeluftverdichter, mit je einem Turbinengehäuse und den zugehörigen Verpuffungskammern zu einer baulichen Einheit, zu einem Treibgaserzeuger, zusammengefaßt werden können. Damit erreicht man, daß mehrere Treibgaserzeugereinheiten im Feuergasweg zur Speisung eines gemeinsamen Ver-n brauchers vorgesehen sein können. Man kann diese Treibgaserzeugereinheiten dabei völlig gleichartig, vorzugsweise in .Serien herstellen, d. h. man kann sich der Treibgaskapazität des Verbrauchers einfach durch die Zahl dieser Einheiten anpassen. Da diese Treibgaserzeugereinheiten die Treibgase mit gewissen, aus dem Herstellungsverfahren der Treibgase stammenden Druckschwankungen anliefern, können die an die Treibgasentnahmestutzen der Treibgaserzeuger angeschlossenen Räume als Druckausgleichsräume ausgebildet sein. Entsprechend dem Umstand, daß im allgemeinen derartige Kraftanlagen äußere Arbeit in Form mechanischer Leistung entwickeln sollen, wird man die Verbraucherstufe durchweg als Treibgase aufnehmende, Leistung abgebende Turbinenanordnung ausbilden, so daß in, diesem Fälle also eÄne genieih, saure, treibgasaufhehmende und. Leistung abgebende Turbinenanordnung an mehrere, unter sich völlig gleichartig ausgebildete und! vorzugsweise sernenweise hergestellte Treibgaserrzeugereinheiten im Treibgasstrom angeschlossen. würde.
  • Naturgemäß ist aber der Erfindungsgedänke nicht an die Verwirklichung der zuletzt genannten Möglichkeiten gebunden. Es. wird Sonderfälle geben, in denen man umgekehrt an einen einzigen Treibgaserzeuger oder Treibgaserzeugerennheilt mehrerer Verbraucher, sogar verschiedener Leistung, anschließen, wird. Es gibt ebenso dien Möglichkeit, mehrere Treibgaserzeugerennheiten oder Gruppen von. solchen; aufzustellen und: ihnen entsprechende Vebrauch£reinheitetv oder Gruppen von; solchen, zuzuordnen. Überhaupt gelten alle Möglichkeiten, die man bisher für Druckdampf und Druckluft gefunden hat, in gleicher Weise für Treibgase, d`a sich dieses in- bezug auf die Energieaufteilung und Verwendung nicht anders verhalten wie dämpf-oder druckluftbetriebene Maschinen. Aus dem gleichen Grunde können Gegendruck- und Abzapfturbinen als Verbraucher zur Aufstellung gelangen, wie auch alles sonstigen, denkbaren. Möglichkeiten der Vorwärmung, Zwischenüberhitzung, Zwischenkühlung, des Zwangsumlaufes, der Veränd&'ungen von Druck, Menge, Temperatur, Wärmeinhalt, Ionisation, elektrischen Ladung, chemischen Zusammensetzung und sonstigen Treibgaseigenschaften der Ladung sowie des mechanischen. Zustandes durch Reinigung, Filterung usw. bestehern.
  • Die Zeichnung zeigt eines Ausführung des Erfindungsgedankens. am Beispiel einer mit vier Verrpuffungskammern ausgerüsteten Treibgaserzeugereinbeit.
  • Fig. i zeigt eine Seitenansicht auf die Treibgaserzeugereinheit sowie die angeschlassene Verbraucherstufe in schematischer Darstellung, wobei eine der Verpuffungskammern gemäß Linie I-I der Fig. 2 im senkrechten Längsschnitt gezeigt ist; Fig.2 entspricht teilweise senkrechtere Querschnitten durch den Treibgaserzeuger gemäß den Liniert II-II, III-III und IV-IV der Fig.. i, teilweiser einer Stirnansicht auf die Verpuffungsstufe an der Kammereinlaßseite; Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Treibgase,ntnahmestutzen des Treibgaserzeugers.
  • Die in den F'ig. i und 2 dargestellte Wärmekraftmaschinenanlage mit einer aus Verpuffungskammern und Düsen- und Beschaufelungsanordnungen bestehenden Verpuffungsturbinenstufe und einer ebenfalls als Turbine ausgebildeten Verbraucherstufe läßt zunächst die Verwirklichung des Erfindungsgedankens erkennen. Um die noch näher zu beschreibenden Düsen- und Beschaufelungsanordnungen der Verpuffungsstufe sind langgestreckte Verpuffungskammern mit ihren Längsachsen parallel zur Achse des die umlaufenden Beschaufelungen tragenden Läufers unter fast völliger axialer Deckung der Längserstreckungen von Turbinengehäuse und Verpuffungskammern angeordnet.
  • Im einzelnen ist das den Turbinenläufer r mit den Rädern 2 und 3 sowie den umlaufenden einkränzigen Beschaufelungen 4 und 5 aufnehmende Turbinengehäuse mit 6 bezeichnet. Um dieses Turbinengehäuse 6 herum sind vier Verpuffungskanime-rn a., b, c und d so angeordnet, daß ihre Längsachsen parallel zur Achse i i bis i i des die umlaufenden Beschaufelungen 4, 5 tragenden Turbinenläufers i unter fast völliger Deckung der Längserstreckungen des Turbinengehäuses 6 und der Verpuffungskammern a bis d verlaufen. Die Verpuffungskammern sind dabei von einem in Fig. i schematisch angedeuteten Kühlmantel 12 umgeben. Sie bestehen in an sich bekannter Weise aus einem als Venturidüse 13 ausgebildetem Einlaßende mit sehr schlankem Ddffusor 14. In dem erweiterten Teil der Venturidüse 13 liegt das Ladeluftventil 15, das unter dem Einfluß einer Steuerung 16 steht. In das Ladeluftventil eingebaut ist ein Einspritzventil 17; Brennstoffzuführungsleitungen, Brennstoffpumpen und in der Verpuffungskammer angeordnete Zündeinrichtungen sind als allgemein bekannt nicht eingezeichnet. Jede der Verpuffungskammern a bis d ist an drei Stellen angezapft. Die Zapfstellen sind mit 18, i9 und 2o bezeichnet. Jede Zapfstelle ist durch ein gesteuertes Ventil abschließbar, wobei die Ventile 2i und 22 als Düsenventile, das Ventil 2,3 als Auslaßventil für den Feuergasrest ausgebildet sind bzw. ist. Infolge der erfindungsgemäß getroffenen Anordnung is.t es möglich, die Ventile2i, 22 und 23 unmittelbar gegenüber den Verbrauchsstellen, für die durch sie entlassenen Teilmengen der je Kammer und Verpuffung erzeugten Feuergasgesamtmenge bzw. für den Feuergasrest anzuordnen.. So schließt sich an das Düsenventil 21 der Kammer a., das zum Unterschied gegen das in Fig. i sichtbare Düsenventil2id der Kammer d mit Zia bezeichnet worden ist, unmittelbar die Verbrauchsstelle in Form von Düse 24a an. Eine entsprechende, aber nur schematisch angedeutete Düse 24d ist in Fig. i im Anschluß an das Düsenventil2id der Kammer d dargestellt worden. In bezug auf Kammer c ist in Fig. i nurr die äußere Steuerung 25, des Düsenventiles 21c dieser Kammer c zu erkennen. Diese Steuerungen, sind durchweg hydraulisch und für alle Ventile in gleichartiger Weise ausgebildet; sie sind als an sich bekannt nicht näher veranschaulicht. Die Einzeldüsen 24, im einzelnen also 224a, 246, 24c und 24d, liegen sämtlich vor der einkrän.-zigen Beschaufelung 4 des Rades 2 des Läufers i, so daß, wie insbesondere Fig. 2 links oben erkennen läßt, zwischen den Düsenventilen und den Düsen. äußerst kurze FeuergasÜberführungsleitungen, Düsenvorräume genannt, liegen.. Da Düsenvorräume und Düsen gekühlt sind und da in diesen Düsenvorräumen und Düsen äußerst große Ge:-schwindigkeiten auftreten, kommt es bei der hohen Temperatur und der hohen Spannung der durch diese; Räume strömenden Feuergase zur Kleinhaltung der Wärmeübergangsverlus.te entscheidend darauf an, daß diese Räume so klein wie möglich ausfallen, damit die Wärmeübergangsflächen entsprechend gering ausfallen. Das ist erfindungsgemäß, wie die Zeichnung zeigt, in vollem Ausmaß erreicht worden.
  • Den, die Beschaufelung 4 des Rades 2 beaUfschlagenden - Düsen 24 liegt eine Auffangdüse 26 gegenüber, die, wie Fig. i zeigt, in eine Auffüllkam.mer 27 .übergeht, die ihrerseits wieder in eine Düse 28 ausläuft, die der einkränzigen Beschaufelung 5 des zweiten Rades 3 des Läufers i als beaufschlagende Düse vorgeordnet ist. Auf die Auffüllkammer 27 arbeiten auch die Ventile 22, indem sich an deren Ventilsitz ein Überführungskrümmer 29 anschließt und 'in die Auffül.lkammer 27 einmündet. Die - Auffüllkammer 27 erh,ä.lt also ans zwei verschiedenen Quellen Feuergase; sie nimmt zunächst über die Auffangdüse 26 Feuergase auf, die in der Düsen- und Beschaufelungsanordnung 24, 4 bereits Arbeit geleistet haben; sie nimmt weiter frische Fleue@rgase über die Ventile 22 in derer: Eröffnungszustand über die Krümmer 29 und die Anschlüsse 30 auf. Sie gibt die so empfangenen Feuergase über die gemeinsame Düsenanordnung 28 zur Beaufschlagung - der Beschaufelung 5 des zweiten Turbirienrades 3 ab.
  • Außer den Düsenventilen 2i und 22 sind Auslaßventile 23 für den Feuergasrest vorgesehen; wobei die Ausbildung des Aüslaßventiles 23, in Fig. 2 unten rechts im einzelnen zu erkennen ist. An den Sitz des Auslaßventiles 23, schließt sich ein. blasenförmiger Leitungskörper 31, an, der in Form eines nierenförmigen Ringsegmentes 32, im Anschlußquerschnitt 33 der Trei,bgasentnahrneleitung 34 ausmündet. Ein entsprechender blasenförmiger Leitungskörper 31b führt zu dem Aus.laßventi:l 23b der Verpuffungskammer b. Auch der Blasenkörper 31b mündet im Anschlußquerschnitt 33 der Treibgasentnahmeleitung 34 in Form eines nierenförmigen Ringsegmentes 32b aus. Ein dritter und vierter, blasenförmig ausgebildeter Körper 31d und 3'1a führen zu den entsprechenden Auslaßventilen 23d und 21, der Verpuffungskammern d und a und besitzen wieder ringsegmentartigeAuslaßquerschnitte 32d und 32a in der Anschlußebene 33 der Treibgasentnahmeleitung 34. Die viez nierenförmigen Ringsegmente 32 umschließen den zentralen Feuergasauslaß 35, der an die Fangdüsenanordnung 36 angeschlossen ist, welche die Feuergase auffängt, die in der Düsen- und Beschaufelungsanordn.ung 28, 5 des zweiten Turbinenrades 3 der Verpuffungsturbinenstufe Arbeit geleistet haben. Diese Verpuffungsturbinenstufe treibt die Hilfsmaschinen der Gesamtanlage, insbesondere den Ladeiluftverdichter 37 an, dessen Antriebswelle 38 mit der Welle des Läufers i unmittelbar gekuppelt ist. Die Treibgasentnah:meleitung 34 führt zu der Verbraucherstufe 39 der Anlage, die als vielstufige Parsonsturbine ausgebildet sein kann.. Sie dient unmittelbar als Sockel des Ladelu:ftverdich.ters 37, während die zum Verpuffungstu!rbinenaggregat gehörigem Elemente bei 4o eine schematisch angedeutete Fundamentierung besitzen.
  • Die Wirkungsweise der so gekennzeichneten baulichen Ausbildung der Anlage ist folgende: Es sei angenommen, in der Kammer d sei soeben ein vollständiges Arbeitsspiel abgewickelt worden. Demgemäß ist die Kammer d noch mit dem Feuergasrest erfüllt. Beim Beginn eines neuen Arbeitsspieles öffnet sich nun Ladeluftventil 15, genauer Ladeluftventil 15d, unter dem Einfluß der Steuerung 16 bz w. 16d. Gleichzeitig öffnet sich das Auslaßventil 23d der gleichen. Kammer d. Die bei 41 eintretende Ladeluft nimmt in der Ventwridüse 13 und vor allem im D.iffusor 14 der Kammer io die Form eines Preßluftkolbens an, der den Feuergasrest aus der Kammer d über das gleichzeitig unter dem Einfluß seiner Steuerung 25d geöffnete Auslaßvenbi123d ausschiebt. Während des Feuergasrestverdrängungs- und Ladevorganges vollführt der Stempel der zugehörigen, Brennstoffpumpe seinen Förderhub und spritzt über das sich öffnende Ventil 17 in den Ladeluftkolben Brennstoff ein, so daß im Zeitpunkt des Schließens der Ventile 15 und 23 bzw. i5d und 23d eine zündfähige Ladung die Kammer d erfüllt. Der Feuergasrest selbst gelangt über das Leitungsstück 31d in das nierenförmige Auslaßsegment 32d und von dort in die Treibgasentnahmeleitung 34. Da aber der Radkasten der Beschaufelung 5 über die Räume 36 und 35. ebenfalls in offener Verbindung mit dem Anschlußquerschnitt 33 der Treibgasentnahmeleitung 34 und damit mit dem nierenförmigen Auslaßsegment 32d steht, übt der unter dem Einfluß der Ladeluft über Leitungsstück 31d ausgeschobene Feuergas:rest auf die Beschaufelung 5 die- Wirkung eines Gegendruckes aus, dien infolge der imAnschlußquerschnitt 33 einsetzenden Expansion des Feuergasrestes den Charakter einer Expansion besitzt. Auf die dadurch eintretenden Folgen wird noch einzugehen sein.
  • Während dieses Feuergas,restverd.rängungsvorganges als des ersten Abschnittes eines in der Kammer d insgesamt abzuwickelnden Arbeitsspieles, auf das die Abschnitte der Zündung und Verpuffung sowie zwei Abschnitte einer stufenweisen Expansion folgen:, waren aber auch die Ventile 21 und' 22 zweier bisher nicht betrachteter Kammern geöffnet worden, während alle Ventile einer vierten Kammer geschlossen blieben, weil sich in dieser gerade Zündung und Verpuffung abwickelten. Geht man zunächst auf die Kammer cb ein, so sei angenommen, deren, Düsenven.til2r" wäre geöffnet worden. Es wäre ebenso denkbar, daß eines der Düsenventile 24 bis 2I,# der Kammern b bis d geöffnet hätte. Dann wäre in der Kammer a entweder das zweite Düsenventil 2,2" oder überhaupt keines der Ventile geöffnet worden. Die Reihenfolge ist also gleichgültig, es kommt nur darauf an, daß in dreien der vier Kammern ein anderes Ventil geöffnet hatte. Verbleibt man also bei der Eröffnung des Ventils 21a der Kammer a, so hatte dieses Ventil eine Feuergasteilmenge entlassen, derenAuffangzustand durch Auftreten des höchsten Verpuffungsdruckes gegeben war. Das bedeutet also, daß in dem Zeitpunkt, in dem sich Ladeluftventil rsd und Auslaßventil 23d der Kammer d eröffnet hatten, in der Kammer a gerade der höchste Verpuffungsdruck aufgetreten war. Unter diesem höchsten Verpüffungsdruek strömt in dem genannten Zeitpunkt die über Düsenventil*2ra entlassene Feuergasteilmenge der Düse 24a zu. Dadurch wird die Beschaufelung 4. des Rades :2 des Läufers r mit Feuergas versorgt. Dieselben Feuergase, die somit bereits einen Teil ihres Gefälles an die Beschaufe= lung 4 abgegeben haben, werden über Auffangdüse 26 aufgefangen und der Auffüllkammer 27 zugeführt.
  • Diese Auffüllkamuuer hatte aber inzwischen bereits Feuergase über das. geöffnete Düsenventil 22b der Kammer b erhalten. Das Düsenventil 22b hatte dabei in dem Zeitpunkt geöffnet, in dem in der Kammer ca der höchste Verpuffungsdruck aufgetreten war. In dem gleichen Zeitpunkt hatten in der Kammer d die Ventile 15d und 23d geöffnet. Unter dem Einfluß der beiden Feuergaszuflüsse füllt sich die Auffüllkammer 27 rapide und völlig mit Feuergasen. Der sich in. der Kammer 27 so schnell aufbauende Innendruck übt über die Auffangdüse 26 auf die Beschaufelung 4 des Rades 2 eine Rückwirkung aus, die in der Form eines bestimmten Gegendruckverlaufes auftritt. Da aber die Auffüllkammer 27 andererseits, mit der Beschaufelung 5 des Rades 3 über Düse 28 in offener Verbindung steht, unterliegen die in die Auffüllkammer 27 entladenen Feuergasmengen gleichzeitig einer Expansion, mit anderen Worten, der auf die Radanordnung 2, 4 von der Auffüllkammer 27 aus ausgeübte Gegendruck hat den Charakter einer Expansion. Da diese infolge der dargestellten zyklischen Versetzung der Arbeitsspielabschnitte in dem. einzelnen Verpuffungskammern synchron zu den über Düse 24 bzw. 24,1 ausgeübten Beaufschlagungsdrücken auftritt, müssen in der Düsen und Besc'iaufelungsanordnung 24, 4 annähernd gleiche Gefälle auftreten.
  • Dieselbe Wirkung tritt ,in bezug auf die Düsenuni Beschaufelungsanordnung 28, 5 auf. Die ein,-kränzige Beschaufelung 5 unterliegt nämlich zunächst den Beaufschlagungsdrückem, die aus der Auffüllkammer 27 über die Düsenanordnung 28 ausgeübt werden. Sie unterliegt weiter infolge des aus Kammer d entladenen Feuergasrestes einem Gegendruckverlauf, der über die in offener Ver,-hindung stehenden Räume bzw. Qüerschn!itte3id, 32d, 35 und 36 auf die Beschaufelung 5 zur Wirkung gebracht wird. Da der Feuergasrest der bereits oben geschilderten Expansion unterworfen wird, hat also auch der Verlauf des auf die Beschaufelung 5 ausgeübten Gegendruckes den Charakter einer Expansion. Infolge der durch Versetzung der Arbeitsspielabschnitte in den Kammern cb, b, c und d erreichten Synchronisierung der Gegendruck- und Beaufschlagungsdruckverläufe in bezug auf die Beschaufelung 5 treten also auch in dieser annähernd gleiche Gefälle auf.
  • Was an Hand des Ladevorganges der Kammer d, an Hand der ersten Teilexpansion. der unter dem Verpuffungsdruck als Anfangsspannung stehenden Teilmenge der in der Kammer a je Verpuffung erzeugten Feuergasgesamtmenge und was für die Kammer b an Hand der zweiten. Teilexpansion der unter einem niedrigeren Anfan- ,sdTuck stehenden Teilmenge der je Verpuffung :in der Kammer b erzeugten Feuergasgesamtmenge, was schließlich an Hand der gleichzeitig im Arbeitsspielabschnitt der Zündung und Verpuffung stehenden, also völlig geschlossene Ventile aufweisenden Kammer c dargelegt worden isst, gilt sinngemäß für die anderen Arbeitsspielabschnitte jeder der vier Kammern, da in diesen nur in zyklischer Vertauschung dieselben Vorgänge eintreten.
  • Es liegt im Wesen der Erfindung, daß das Ausführungsbeispiel in keiner Weise den Erfindungsgedanken erschöpfend darstellt. Was für vier Kammern ausgeführt worden ist, kann sinngemäß bei jeder Kammerzahl verwirklicht werden. Die Kammern brauchen auch nicht um das Turbinengehäuse im Kreise gleichmäßig verteilt angeordnet zu %verden, sondern'es sind auch andere Anordnungen denkbar, ohne daß die durch die Erfindung vorgeschriebene, grundsätzliche Anordnung verlassen zu werden braucht.
  • Erfindungsgemäß ausgebildete Wärmckraftmaschinenanlagen führen zu einer äußerst gedrängten, mit kürzesten Feuergaswegen versehenen, Wärmeverluste auf ein Kleinstmaß verringernden und .daher mit hohen Wirkungsgraden, arbeitenden Ausbildung. Daher ist es wesentlich, wenigstens die die höchstgespannten Feuergasteilnzengen entlassendem Ventile im Bereiche des Turbinengehäuses anzuordnen, -so daß der' Vorteil der kleinsten Wärmeübergangsflächen für diese besonders hohe Temperaturen, Drücke, Wärmeinhalt und Geschwindigkeiten aufweisende und daher zu hohen Wärmeübergängen führenden Feuergasteilmengen entsteht, wenn man auf die optimalen Vorteile verzichtet, die sich bei gänzlich axialer Überdeckung von Verpuffungskammer- und Turbinengehäuselängserstreckungen erreichen lassen.
  • Die Steuerung der beschriebenen Ein- und Auslaßorgane, die in Form von Ventilen veranschaulicht worden sind, an deren Stelle aber auch ohne weiteres Schieber, niembrangesteuerte 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 bilden nicht den Gegenstand vorliegender Erfindung.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Vorzugsweise als Treibgaserzeuger ausgebildete Verpuffungsbrennkraftturbine mit zur Treibgasdehnung vor einer Beschaufelung konformer Gegendruckabsenkung hinter der Beschaufelurig und mit Verpuffungskammern, die mehrere gesteuerte Zapfstellen zur Entnahme von Feuergasteilmengen aufweisen, mittels derer die Gegendrücke erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verpuffungskammern um die Düsen- und Beschaufelungsanordnungen einkapselnde Gehäuse unter im wesentlichen axialer Deckung von Gehäuse und Kammern angeordnet sind, wobei die Düsem,2 und Beschaufelungsanordnungen in radialer Richtung zweckmäßig unmittelbar an die Zapfstellen der Verpuffungskammern angeschlossen sind. z. Verpuffungsbrennkraftturbnne nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß an einen Treibgasentnahmestutzen des.Treibgaserzeugers angeschlossene Räume - als Druckausgleichsräume ausgebildet sind. 3. Verpuffungsbrennkraftturbine nach Anspruch a, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich an den, Treibgasentnahmestutzen des Treibgaserzeugers anschließende Treibgasleitung als Druckausgleicher ausgebildet ist. 4. Verpuffungsbrennkraftturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung mindestens einer Verbraucherstufe mindestens eine Treibgaserzeugereänheit vorgesehen ist, d!ie die Hilfsmaschinen der Anlage, insbesondere die Verdichter antreibt. 5. Verpuffungsbrennkraftturbine nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Parallelanordnung mehrerer Treibgaserzeugereinheiten zur Speisung eines gemeinsamen Verbrauchers. 6. Varpuffungsbrennkraftturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel geschalteten Treibgaserzeugereinheiten unter sich gleichartig ausgebildet sind. 7. Verpuffungsbrennkraftturbine nach einem der Ansprüche i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame, treibgasaufnehmende und Leistung in Form äußerer Arbeit abgebende Turbinenanordnung an mehrere, zweckmäßigunter sich gleichartig ausgebildete Treibgaserz,eugereiinheiten im Treibgasweg angeschlossen ist. B. Verpuffungsbrennkraftturbine nach einem oder mehreren: der Ansprüche i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, treibgasaufnehmende und Leistung in Form äußerer Arbeit abgebende Turbinenanordnungen an eine einzige Treibgaserzeugereinheit im Treibgasweg angeschlossen sind. g. Verpuffungsbrennkraftturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche i biss 8, dadurch gekennzeichnet, daß als einzige Verbindung zwischen Treibgaserzeuger und äußere Arbeit abgebender Dehnungsmaschine einbaulose, nur treibgasführende Leitungen vorhanden sind. In Betracht gezogene Druckschriften;: Deutsche Patentschriften Nr. 737 170, 730 168, 596 o25, 174 86o; französische Patentschriften Nr. 991 975, 919230.
DESCH11324A 1951-12-24 1952-12-21 Vorzugsweise als Treibgaserzeuger ausgebildete Verpuffungsbrennkraftturbine Expired DE959867C (de)

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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE174860C (de) *
DE596025C (de) * 1933-05-04 1934-04-28 E H Hans Holzwarth Dr Ing Verpuffungskammer
DE730168C (de) * 1933-02-11 1943-01-07 Milo Ab Gasturbine mit Gleichdruckverbrennung
DE737170C (de) * 1940-03-06 1943-07-07 Eduard Woydt Dr Ing Verpuffungsturbine
FR919230A (fr) * 1944-12-30 1947-03-03 Power Jets Res & Dev Ltd Perfectionnements apportés aux installations motrices avec turbines à combustion interne, notamment pour la propulsion d'un aéronef
FR991975A (fr) * 1948-08-06 1951-10-12 Garrett Corp Groupe moteur

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