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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zur Verbindung von Gehäuse und Kammern stehen dabei die verschiedensten
Möglichkeiten zur Verfügung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Zeichnung zeigt eines Ausführung des Erfindungsgedankens. am Beispiel
einer mit vier Verrpuffungskammern ausgerüsteten Treibgaserzeugereinbeit.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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, 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.