DESC011306MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 18. Dezember 1952 Bekanntgemacht am 29. November 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Bei Verpuffungsbrennkraftturbinen wurden bisher im allgemeinen zweikränzige Curtisräder, wenigstens im Rahmen der Verpuffungsbrennkraftturbine selbst, verwirklicht, während man in den die Treibgase ausnutzenden Turbinen bereits zu Parsonsbeschaufelungen übergehen konnte, nachdem es gelungen war, durch Anordnung von Druckausgleichsräumen die durch das Herstellungsverfahren mit starken Druckschwankungen angelieferten Treibgase in etwa in bezug auf Spannungsspitzen und Drucktäler auszugleichen. Es wurde auch schon der theoretisch gebliebene Vorschlag gemacht, in der Verpuffungsbrennkraftturbine selbst mehrstufige Gleichdruckräder mit einkränzigen Beschaufelungen vorzusehen. Doch ordnete man auch in diesen Fällen in der ersten Druckstufe immer noch ein zweikränziges Curtisrad an; jedem der Gleichdruckräder wurde außerdem ein besonderer Druckausgleichsraum vorgeschaltet, um die im Treibmittel auftretenden Druckunterschiede jeweils vor Beaufschlagung der Gleichdruckräder auszugleichen. Bei praktischen Ausführungen hielt man jedoch an der Anordnung meistens zweier zweikränziger Curtisräder bei, wobei das zweite Curtisrad die Feuergase verarbeitet, die man zunächst unter dem Verpuffungshöchstdruck der ersten

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Turbinenstufe zugeleitet hatte, um sie hierauf unter Zwischenschaltung eines Druckausgleichsbehälters zur Beaufschlagung des zweiten Curtisrades verwenden zu können. Dem zweiten Curtisrad wurde außerdem eine besondere, zweite Düsenanordnung vorgeschaltet, welche Restfeuergase verarbeitete, die über ein besonderes gesteuertes Entlassungsorgan, Auslaßventil genannt, aus den Verpuffungskammern unter Wirkung der sie verdrängenden Ladeluft ausgeschoben worden waren. Dagegen bezeichnete man das gesteuerte Entlassungsorgan, das die höchstgespannten Feuergase zur ersten Turbinenstufe zu entließ, als Düsenventil.
Es ist weiter der Vorschlag gemacht worden, bei Verpuffungsbrennkraftturbinen, bei denen die bei einer Verpuffung erzeugten Feuergase in mehreren Teilmengen entlassen wurden, die zweite Schaufelreihe der zweikränzigen Curtisräder abzuschirmen, so daß im Bereiche der Abschirmungen die Räder

ao einkränzig beaufschlagt wurden. Jedoch erforderten es die Verhältnisse, die gleichen Räder von anderen Düsen aus, denen besondere Düsenventile vorgeordnet waren, zweikränzig beaufschlagen zu lassen, so daß wieder Umkehrschaufeln erforderlich wurden, die gegenüber Laufschaufeln infolge Fehlens der Beaufschlagungspause betrieblich besonders hoch beansprucht sind, so daß das Bestreben besteht, sie vollständig in FortfaM zu bringen.
Vorliegende Erfindung beruht demgegenüber auf der Erkenntnis, daß der schon früher gemachte Vorschlag, die bei einer Verpuffung erzeugten Feuergase in Teilmengen zu entlassen und mit Hilfe der 'mit niedrigeren Anfangsdrücken aus den Verpuffungskammern entlassenen Teilgasmengen Gegendrücke zu erzeugen, die synchron und mit annähernd gleicher Charakteristik verlaufen wie die Expansion von Feuergasteilmengen, die mit höheren Anfangsdrücken zu vorgeordneten Düsen- und Beschaufelungsanordnungen entlassen wurden, die Möglichkeit gibt, die Unterschiede in den Drücken, mit denen diese Feuergasteilmengen entlassen werden, der absoluten Höhe nach so zu bestimmen, daß die durch die Differenzen dieser Drücke festgelegten Feuergasteilgefälle in ausschließlich einkränzigen Rädern verarbeitbar werden.

Demgemäß kennzeichnet sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zum Betriebe von Verpuffungsbrennkraftturbinen, bei dem in den Verpuffungskammern bei Verpuffungen erzeugte Feuergasgesamtmengen in Teilmengen entlassen und letztere verschiedenen Düsen- und Beschaufelungsanordnungen zugeführt werden, durch die Vereinigung des Verfahrens, zu den Dehnungen -. der Feuergasteilmengen in den Beschaufelungen nach letzteren, in Feuergasrichtung gesehen, synchron und mit annähernd gleicher Charakteristik auftretende Gegendrücke zu erzeugen, mit dem Verfahren, die Unterschiede in den Drücken, mit denen die Feuergasteilmengen aus den Verpuff ungskammern entlassen werden, der absoluten Höhe nach so zu bestimmen, daß die durch die Differenzen dieser Drücke festgelegten Feuergasteilgefälle in ausschließlich einkränzigen Rädern verarbeitbar werden. Das Verfahren der zu den Dehnungen der Feuergasteilmengen synchronen Gegendruckabsenkung ist für sich allein nicht Gegenstand der Erfindung.

Als Vorteil der dadurch ermöglichten Anordnung ausschließlich einkränziger Räder ist also zunächst die Vermeidung der Umkehrschaufeln zu erwähnen. Weiter führt die Teilanwendung des bereits gemachten Vorschlages, auf den die Erfindung allein sich nicht richtet, synchrone' und mit gleicher Charakteristik wie die Expansion verlaufende Gegendruckerzeugungen durchzuführen, zu dem Vorteil, daß in den einkränzigen Rädern praktisch gleichbleibende Gefälle verarbeitet werden. Von praktisch gleichen Gefällen kann man dann sprechen, wenn die maximalen Änderungen des Gefälles nach oben höchstens 30%, nach unten höchstens 15% des optimalen Gefälles betragen. Auf diese Weise kann das Rad bzw. die Radgruppe ausgesucht werden, die mit bestem Wirkungsgrad arbeitet, so daß damit die Verpuffungsbrennkraftturbine in den Rang von Turbinen mit gleichmäßigem Gefälle erhoben wird, denen gegenüber sie aber noch den Vorteil der thermisch besseren Ausnutzung der Betriebsmittel besitzt.

Da es bereits eigenen, früheren Vorschlägen ent- ■ spricht, Gegendrücke zu den Beaufschlagungsdrücken mit zu letzteren synchronem und mit gleichartiger Charakteristik erfolgendem Verlauf zu erzeugen, so kommt es bei Durchführung des erfmdungsgemäßen Verfahrens nur darauf an, den äquidistanten oder nahezu äquidistanten Abstand der jeweiligen Gegendrücklinien zu den zugehörigen Expansionslinien entsprechend zu wählen, mit anderen Worten, die Lage der Gegendrucklinien im Diagramm allgemein unter Beachtung einer Radumfangsgeschwindigkeit von möglichst über 250 m/sec, vorzugsweise von rund 300 m/sec zu bestimmen; bei Beachtung dieser Vorschrift ist dann die Lage der Gegendrucklinien eindeutig festgelegt. Als besonders geeignet hat sich dabei die Anwendung eines Q-V-Diagramms erwiesen, welches dem üblichen Q-S-Entropiediagramm, z. B. nach Pflaum, mit den prozentual ausgeströmten Feuergasmengen, unter Ansetzung der .Feuergasgesamtmenge je Verpuffung mit iöo⁰/», als Abszissen, entspricht, während die Ordinaten den Wärmeinhalt der Feuergase in kcal/nm³ angeben. Ein derartiges Diagramm ist auch in der Zeichnung verwandt worden, um zu zeigen, wie die Gegendrucklinien bei einer zweistufigen Turbinenanordnung zu bestimmen sind, um einkränzige Räder mit den genannten Umfangsgeschwindigkeiten und Wirkungsgraden verwirklichen zu können.

Entsprechend der Möglichkeit, zur Erzeugung des Gegendruckes durch das Verpuffungsverfahren selbst hergestellte Feuergase zu verwenden, werden im allgemeinen die in der Entnahmekammer mit einer Spannung oberhalb der Entnahmespannung erzeugten Feuergase bis zum Zeitpunkt des Beginnes der Entnahme jeweils auf die Düsen- und Beschaufelungsanordnung zur Wirkung gebracht, hinter der die Feuergase der Entnähmekammern

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mit kleineren, unterhalb der Entnahmespannung liegenden Drücken zur Erzeugung eines während der Dehnung des beaufschlagenden Treibmittels in der Düsen- und Beschaufelungsanordnung abgesenkten Gegendruckes benutzt werden. Dabei geht man vorteilhaft von einer Versetzung der Arbeitsspielfolge mehrerer den gleichen Düsenuncl Beschaufelungsanordnungen zugeordneten Verpuffungskammern aus, 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.

Bei der Durchführung des Verfahrens ist es zweckmäßig, der den Verpuffungskammern als Verbrennungsluft zuzuführenden Ladeluft einen minimalen Druck von etwa 5 Atmosphären (Überdruck) zu erteilen, um adäquate Enthalpieänderungen in den Düsen- und Beschaufelungsanordnungen zu erzielen und die Spannung der Restfeuergase auf einem Wert zu halten, bei dem das Arbeitsvermögen der erzeugten Treibgase eine wirtschaftliche Verwertung gewährleistet. Weitere Einzelheiten der Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung der Äquidistanz bzw. der praktisch gleichen Gefälle mögen dem Ausführungsbeispiel entommen werden.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens dienenden Vorrichtungen kennzeichnen sich vorzugsweise dadurch, daß sie aus einer Reihe von Verpuffungskammern bestehen, die im Feuergasweg über Düsen mit mehreren jeweils einkränzigen Beschaufelungsanordnungen verbunden sind, wobei Einrichtungen zur Erzeugung eines Gegendruckes vorgesehen sind, der sich synchron und mit derselben Charakteristik ändert wie der Druck der Feuergase in der Düsen- und Beschaufelungsanordnung, hinter der, im Feuergasweg gesehen, der Gegendruck erzeugt wird. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, Beschaufelungen auf mindestens zwei Radanordnungen vorzusehen und jede den Radanordnungen zugeordnete Düsenanordnung mit mindestens einem Verpuffungskammerauslaßorgan in Verbindung zu bringen. Als eine besonders vorteilhafte Ausführungsform haben sich dabei Läufer mit zwei einkränzigen Rädern auf der Läuferwelle erwiesen. Es besteht naturgemäß auch die Möglichkeit, Läufer mit mehr als ,,50 zwei einkränzigen Rädern auf der Welle zu verwenden. In diesen Fällen fällt jedoch der bei der vorerwähnten Anordnung ohne weiteres erreichbare Vorteil fort, daß die auftretenden Mitteltemperaturen bei der heute üblichen Ausbildung der in Betracht kommenden Bauelemente zu Beanspruchun gen führen, die die verwandten Werkstoffe noch nicht an die gefährliche Kriechfestigkeitsgrenze heranbringen. In diesen Fällen müssen also Sonderausbildungen wie verstärkte Kühlung oder Herstellung der Bauelemente aus besonders hochwertigen Werkstoffen zur Anwendung kommen, ohne daß diese Frage der Ausbildung hochtemperaturbeständiger Werkstoffe und der Verhinderung der Auswirkung zu hoher Temperatur- und Wärmespannungen die Anwendungsmöglichkeiten des Erfindungsgedankens irgendwie prinzipiell zu beeinträchtigen vermöchte.

Die Zeichnung zeigt Ausführungen des Erfindungsgedankens am Beispiel von Öltreibgaserzeugern mit zwei- und dreistufigen Turbinenausbil- -düngen.

Fig. ι zeigt einen Öltreibgaserzeuger mit zwei Turbinenstufen im senkrechten Längsschnitt durch Turbine und eine der Verpuffungskammern,

Fig. 2 das zugehörige Q-V-Diagramm;

Fig· 3 gibt einen Öltreibgaserzeuger mit dreistufiger Turbine im schematisch gehaltenen Längsschnitt wieder, während

Fig. 4 eine andere Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 3 in derselben Schnittdarstellung zeigt.

In Fig. ι bezeichnet 1 eine der Verpuffungskammern, die zur Erzeugung der Feuergase dienen. Sie sind in üblicher Weise mit Ladelufteinlaßventilen 2 ausgerüstet, die in ihrem Inneren die Brennstoffeinspritzventile 3 aufnehmen. Eine Ladeluftzuführungsleitung 4 versorgt die Ladelufteinlaßorgane 2 der Verpuffungskammern mit Ladeluft, während Brennstoffleitungen 5 zu einer nicht gezeichneten Brennstoffpumpe führen. Die Vorzugsweise hydraulische Steuerung der Ventile 2 ist bei 6 angedeutet. Die Verpuffungskammern sind weiter mit nicht gezeichneten Zündeinrichtungen üblicher Bauart versehen. Düsenventile 7 entlassen eine höchstgespannte Feuergasteilmenge auf die Düsenanordnung I, die der umlaufenden.Beschaufelung 8 des Rades 9 der ersten Turbinenstufe vorgeordnet ist. Eine Auffangdüsenanordnung 10 nimmt die in der ersten Turbinenstufe I, 8, 9 teilweise abgearbeiteten Feuergase auf und führt sie einer Auffüllkammer 11 zu, die infolge ihres geringen Rauminhaltes zwischen den Turbinenstufen unterbringbar ist. Außer den Düsenventilen 7 sind weitere Düsenventile 12 vorgesehen, über die niedrigergespaimte Feiiergasteilmengen auf die Düsenanordnung II zur Wirkung gebracht werden, wobei die Düsenventile 12 mit der Auffüllkammer 11 in unmittelbarer Verbindung stehen können; sie könnten auch unmittelbar auf die Düsenanordnung II mit Umgehung der Auffüllkammer 11 arbeiten oder sowohl mit der Auffüllkammer 11 als auch mit besonderen Düsen vor der Beschaufelung 13 verbunden sein. Die Düsenanordnung II ist also der Beschaufelung 13 des Rades 14 der zweiten Turbinenstufe II, 13, 14 vorgeordnet. Eine Fangdüsenanordnung 15 nimmt die Feuergase auf, die die zweite Turbinenstufe durchströmt haben, und leitet sie in einen Stutzen 16 über, der offen in die Treibgasentnahmeleitung 17 ausmündet. In derselben Querschnittsebene mündet auch ein Rohrstück 18 aus, das die Restfeuergase aufnimmt und zur Treibgasentnahmeleitung 17 zu entläßt, die über das geöffnete Auslaßventil 19 aus der Verpuffungskammer ι entlassen werden.

Das Arbeitsverfahren, nach welchem der in ^: Fig. ι dargestellte Treibgaserzeuger arbeitet, ist

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im Q-V-Diagramm der Fig. 2 zu erkennen. In diesem Diagramm sind die Feuergasgefälle auf der von A ausgehenden Ordinatenachse zu erkennen, die ausgeströmten Feuergasmengen in Hundertteilen der je Verpuffung und, Kammer erzeugten Feuergasgesamtmenge auf der Abszissenachse. Das Druck- und Temperaturliniennetz ist nur angedeutet und gilt nur 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 _i Entropieänderungen, also keine Wärme-

verlus'te in den Wandungen auftreten und keine Wärmeabgabe durch Reibung am Laufrad und an den Schaufeln stattfinden. 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. Der Punkt A entspricht dabei dem höchsten, in den Verpuffungskammern auftretenden Verpuffungshöchstdruck, der sich ausbildet, nachdem die Ladung der Verpuffungskammern mit zündfähigem Gemisch beendet und die Zündung dieses Gemisches bewirkt worden sind. Dieser Verpuffungshöchstdruck wird üblicherweise mit P₁ bezeichnet und beträgt im Falle des Ausführungsbeispiels 64 ata bei einer Temperatur der Feuergase von 1920⁰ C. Das durch die Doppellinie gekennzeichnete Gefälle ist also durch den Abstand des Punktes A vom Koordinatenanfangspunkt ο gekennzeichnet, dessen Zustand durch die Atmosphärenlinie von 1,044 ^ata bei einer Feuergastemperatur von 567⁰ C gegeben ist. Dieses hohe Erstgefälle von 522 kcal/nm³ kann von keinem Einzelrad oder keiner einzelnen Radgruppe, gleichgültig welcher Ausbildung, mit hohem Radwirkungsgrad ausgenutzt werden, während das erfindungsgemäß durch die Turbinenausbildung nach Fig. ι gelungen ist, und zwar durch die bereits erörterten baulichen Maßnahmen Verfahrens- und vorrichtungstechnischer Art, die sich im Diagramm der Fig. 2 wie folgt zu erkennen geben:

Wie das Diagramm der Fig. 2 zeigt, ist auf der von ^4 ausgehenden Expansionslinie 20 der Punkt B verzeichnet, in dem sich das Düsenventil 7 schließt, das im Punkt A zur Entlassung einer Feuergasteilmenge geöffnet worden war, deren Anfangszustand durch den Punkt A gekennzeichnet war. Im Zeitpunkt B öffnet sich das Düsenventil 12, während alle anderen Ventile der Verpuffungskammer geschlossen sind und bleiben, wobei eine Feuergasteilmenge entlassen wird, deren Anfangszustand mit einem Zwischendruck />₂ von 27,7 ata und einer Temperatur von 1400⁰C an Hand des Punktes B zu erkennen ist. Diese bereits gemäß dem Anfangsdruck p₂ niedriger gespannte Feuergästeilmenge erfährt eine Dehnung, die längs des Expansionslinienabschnittes B bis C der Expansionslinie 20 verläuft. Denn im Punkt C schließt sich bereits wieder das Düsenventil 12 und es öffnen sich gleichzeitig Auslaßventil 19 und Ladelufteinlaßventil 2. Die noch in der Verpuffungskammer 1 befindlichen Restfeuergase werden also verdrängt, und zwar von einem dem Punkt C entsprechenden Zeitpunkt ab, so daß ihr Anfangszustand hierbei durch den zum Punkt C zugehörigen Ladeluftdruck p₀ von 12 ata und durch eine Temperatur von 1100⁰ C gegeben ist, wobei die beiden Temperaturwerte von 1400⁰ bzw. 1100⁰ auf die Radkammern der Räder 9 und 14 bezogen sind. In einem dem Punkt B des Diagramms entsprechenden Zeitpunkt schließen sich die Ventile 2 und 19 gleichzeitig. Vorher hatte noch während der Verdrängung der Restfeuergase durch die sich infolge Anordnung der Venturidüse 21 und des Diffusors 22 der Verpuffungskammer 1 kolbenartig vorschiebende Ladeluft der Stempel der zugehörigen Brennstoffpumpe seinen Förderhub vollführt, so daß Brennstoff über Leitung 5 und Ventil 3 in den noch in Bewegung befindlichen Luftkolben eingespritzt worden war. Der Bewegungszustand dieses Kolbens hatte also für Verteilung des Brennstoffes über die gesamte Kammerlänge beigetragen, so daß in einem dem Zeitpunkt E entsprechenden Zeitpunkt die gesamte Kammer 1 von einem homogenen, hochzündfähigen Gemisch erfüllt ist, womit die Kammer zur Durchführung eines neuen, in gleicher Weise ablaufenden Arbeitsspieles vorbereitet ist. Die kurz darauf eingeleitete Zündung führt also nach Durchführung des Verpuffungsvorgangs wieder zu einem Zustand der Feuergase in der Verpuffungskammer, der dem Punkt A der Fig. 2 entspricht.

Nun besteht die Anlage der Fig. 1 nicht nur aus der Verpuffungskammer 1, sondern weiteren, nicht gezeichneten Verpuffungskammern, deren Arbeitsspiele gegenüber dem dargestellten Arbeitsspiel der Verpuffungskammer 1 zeitlich versetzt sind. Die Versetzung ist dabei so gewählt, daß während der Beaufschlagungszeit der ersten Turbinenstufe I, 9 durch eine Feuergastei-lmenge vom Anfangszustand A der Fig. 2 eine andere Verpuffungskammer über das Düsenventil 12 die Auffüllkammer 11 mit einer Feuergasteilmenge versorgt, deren Anfangszustand durch einen dem Punkt B der Fig. 2 entsprechenden Punkt in dem dieser zweiten Kammer zugeordneten, nicht gezeichneten Q-V-Diagramm gegeben sein würde. Diese Versorgung der Auffüllkammer 11 mit einer Feuergasteilmenge vom Anfangszustand B führt in Verbindung mit dem Umstand, daß die Auffüllkammer 11 iac gleichzeitig Feuergase über die Auffangdüsenanordnung 10 erhält, die bereits in der ersten Turbinenstufe I, 8, 9 einen Teil ihres Arbeitsvermögens abgegeben hatten, zur Erzeugung eines Innendruckes in der Auffüllkammer 11 und damit eines Gegendruckes in bezug auf die vorgeordnete erste

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Turbinenstufe, dessen Verlauf durch die strichpunktierte Linie 23 in Fig. 1 gekennzeichnet ist. Man erkennt, daß infolge der angegebenen zeitlichen Versetzung der Arbeitsspiele dieser Gegendruckverlauf 23 zunächst synchron zum Expansionslinienabschnitt A bis B erfolgt. Man erkennt weiter, daß die Linien 20 und 23 in dem durch die Arbeitsfläche I_a gekennzeichneten Diagrammabschnitt bis auf die unbeachtliche Auffüllphase völlig aequidistant, insgesamt also nahezu aequidistant verlaufen, wobei man es in der Hand hat, die Abweichungen im Bereich 24 durch Verkleinerung der Kammer 11 und durch Vergrößerung der in die Kammer 11 über Ventile 12 unmittelbar aus

15* der Verpuffungskammer überzuführenden Feuergasteilmengen beliebig weitgehend zu verringern bzw. praktisch verschwinden zu lassen. Um die Auffüllphase 24 vernachlässigbar klein zu halten, wird man den Rauminhalt der Auffüllkammer 11 zwischen einem Hundertstel bis fünfzehn Hundertsteln, vorzugsweise innerhalb des ersten Drittels dieses Intervalls, des Rauminhaltes aller der Auffüllkammer zugeordneten bzw. an ihrer Speisung mit Feuergasen beteiligten Kammern halten, wie dies früheren Vorschlägen entspricht.

Die Fläche I_a stellt dabei gleichzeitig das Arbeitsvermögen der über die Düsenanordnung I in der ersten Turbinenstufe I, 8, 9 zur Wirkung gebrachten Feuergasteilmenge dar.

30- Wie Fig. 2 entnommen werden kann, wird die Fläche I₀ in Q-V-Diagramm durch die Linie 20 bestimmt, die der Dehnung der ursprünglich höchstgespannten Feuergasteilmenge entspricht, während Linie 23 durch den in der Auffüllkammer· 11 herrsehenden Gegendruck gegeben ist; weitere Bestimmungsgrößen sind die durch die Punkte A und B verlaufenden Ordinaten. Der Horizontalabstand zwischen diesen entspricht der betrachteten Feuergasteilmenge; sie beträgt 48,5% der insgesamt bei einer Verpuffung erzeugten Feuergasmenge. Man erkennt schließlich, daß der Abstand der Linien 20 und 23, mit anderen Worten, die Lage der Gegendrucklinie 23 in bezug auf den Expansionslinienabschnitt A bis B so gewählt ist, daß in der ersten Turbinenstufe eine einkränzige Beschaufelung 8 mit Wirkungsgraden zwischen 75 und 85% verwirklichbar war. Wollte man die Gegendrucklinie 23 nach oben verschieben, so brauchte man den dem Punkt B im Diagramm entsprechenden Schließzeitpunkt der Ventile 7 und damit den Eröffnungszeitpunkt der Ventile 12 zeitlich nur vorzuverlegen, da in diesem Falle die der Gegendrucklinie 23 entsprechende und für ihre Lage im Diagramm und ihre Gestaltung ursächliehe Teilexpansion B bis C bei einem höheren Zwischendruck als · dem Werte p₂ der Fig. 2 beginnen würde; außerdem würde sich die Feuergasteilmenge vom Ausmaß 52 infolge gleichbleibender Lage des Punktes C vergrößern; die zeitliche Nach-Verlegung der Steuerzeitpunkte wäre ein Mittel zur Senkung der Linie 23 im Diagramm. Jedoch stellt die eingezeichnete Lage der Gegendrucklinie bzw. der gewählte Zwischendruck von p₂ — 2J,J ata das Optimum für die in Fig. 2 zum Ausdruck kommenden Verhältnisse dar.

Was für die erste Turbinenstufe ausgeführt wurde, gilt sinngemäß auch für die zweite Turbinenstufe. Die Fläche I_b entspricht dem disponiblen Arbeitsvermögen der Feuergasteilmenge (48,5%), die aus der ersten Turbinenstufe I, 8, 9 entlassen worden war, innerhalb der zweiten Turbinenstufe II, 13, 14. Die Fläche II stellt das disponible Arbeitsvermögen der Feuergasteilmenge (25%) dar, die über Düsenventil 12 entlassen wird. Fläche l_b ist begrenzt durch den in der Auffüllkammer 11 auftretenden Gegendruck 23, weiter durch die Linie 24 des Gegendruckes in den Rüumen 15, 16, 17. Die seitliche Begrenzung erfolgt durch Ordinaten, die durch die Punkte A und B gehen.

Die Fläche II ist begrenzt durch die Expansion der zweiten Feuergasteilmenge (25%) gemäß Linie B-C und die Linie, die dem im Räume 15, 17 auftretenden Gegendruck entspricht, während die Ordinaten, die die Fläche II begrenzen, durch die Punkte B und C gehen. Da die Linien B-C und 23 annähernd die gleiche Charakteristik aufweisen, kann man, wie früher gezeigt, die 25°/oige Feuergasteilmenge mit der Teilexpansion B-C mit der 48,5 %-Menge mit der Teilexpansion A-B in der Kammer 11 vereinigen und mit ihr Düsen- und Be-Schaufelungsanordnung II versorgen. So entstehen äquidistante Verläufe der Linien 23 und 24 für Fläche l_b und B-C und 24 für Fläche II. Zur Umsetzung dieses Arbeitsvermögens eignen sich einkränzige Räder mit Umfangsgeschwindigkeiten von 300 m/sec und Radwirkungsgraden zwischen 75 und 85%.

Während in der Auffüllkammer n bzw. in der Düsenanordnung II ein derartiger Expansionslinienverlauf eintritt, hatte eine dritte, bisher nicht betrachtete Verpuffungskammer über ihr geöffnetes Auslaßventil 19 Restfeuergase mit 26,5% der Feuergasgesamtmenge in die Treibgasentnahmeleitung 17 gesandt. Der Anfangszustand dieser Restfeuergasteilmenge ist durch den Punkt C, 'd, h. durch einen Druck p₀ und eine Temperatur von 1100⁰ C sowie durch einen entsprechenden Wärmeinhalt entsprechend der korrigierten Lage des Punktes C in bezug auf die Ordinatenachse gegeben. Der Endzustand entspricht dem Punkt E. Der Verlauf der Linie C-E kann wieder durch Verschiebung der dem Punkt C der Fig. 2 entsprechenden Steuerzeitpunkt (Schließungszeitpunkt der Ventile 12, Eröffnungszeitpunkt der Ventile 19) beliebig in Verbindung mit entsprechenden Änderungen des Ladeluftdruckes geändert werden, stellt aber für die Verhältnisse der Fig. 2 ein Bestmaß dar.

Da das Diagramm der Fig. 2 in der Abszissenachse keine Zeiten, sondern Feuergasvolumina wiedergibt, erscheint die Arbeitsfläche II neben den Flächen I₀ und I_&. In Wirklichkeit verlaufen die betrachteten Vorgänge sämtlich synchron, so daß man die unter dem Expansionslinienabschnitt B bis C liegende Diagrammfläche II in die unter dem Expansionslinienabschnitt A bis B liegende Diagrammfläche bis zur annähernd zu erreichenden

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Deckung der Linien 23 und B-C verschoben denken muß, wenn man sich über die gleichzeitig geleisteten Arbeiten ein Bild machen möchte.

Fig. 2 zeigt in der Fläche III das disponible Arbeitsvermögen der Feuergase, die in die Treibgasentnahmeleitung 17 eintreten. Ihre Menge beträgt 100V0. Ihre Energie, die durch das Expansionsgefälle ab Linie C-E und Gegendrucklinie gegeben ist, kann auch in einer dritten Radanordnung, vorzugsweise kleineren Läuferdurchmessers, ausgenutzt werden.

Wenn auch die bei Durchführung des Verfahrens nach Fig. 2 auftretenden Mitteltemperaturen, wie das aus den Temperaturlinien der Fig. 2 erkennbar ist, mit rund 1400⁰ in der ersten Turbinenstufe noch zu völlig beherrschbaren Laufschaufelbeanspruchungen führen, so muß doch die Kühlung dieser Schaufeln, der Räder und der Welle sehr sorgfältig durchgeführt werden, um im genügenden Abstand von der Kriechfestigkeitsgrenze der verwandten Werkstoffe bleiben und um ohne gefährliche Beanspruchungen die durch Fig. 2 veranschaulichten Betriebsverhältnisse mit Sicherheit und mit ausreichender Lebensdauer der beanspruchten Bauteile beherrschen zu können.

Abweichende Ausführungsformen sind in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht. Gleichbezeichnete Teile entsprechen dabei denen des Ausführungsbeispiels nach Fig. i, Es besteht jedoch der Unterschied, daß den Auslaßventilen 19 eine besondere Düsenanordnung III zugeordnet ist, die in Verbindung mit dem Rad 49 und der einkränzigen Beschaufelung 50 eine . dritte Turbinenstufe bildet. Eine gleichartige dritte Turbinenstufe ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 in einer abweichenden baulichen Anordnung verwirklicht worden, bei der außer der ersten Auffüllkammeranordnung 11 eine zweite Auffüllkammeranordnung 51 vorgesehen ist, aus der die in den Turbinenstufen I, 8, 9 und II, 13, 14 abgearbeiteten Feuergase zusammen mit den Feuergasen verarbeitet werden, die über das geöffnete Auslaßorgan 19 entlassen wurden.

Die gesamten teilexpandierten Feuergase werden der Entnahmeleitung 17 zugeführt. Die vom Auslaßventil 19 entlassene Feuergasteilmenge, die nach Fig. 4 der Düsenanordnung III zugeführt wird, kann auch in die Auffüllkammeranordnung 51 eingeführt werden, wie dies in Fig. 1 für das Düsen-•50 ventil 12 in Verbindung mit der Auffüllkammeranordnung 11 gezeigt worden war. In beiden Fällen aber bewirkt die entlassene Feuergasteilmenge das Entstehen eines Gegendruckes in bezug auf die im Feuergasweg vorgeordnete Turbinenstufe, der sich synchron zu der Spannung der Feuergase ändert, welche der Beaufschlagung dieser Turbinenstufe dienen, und der weiter dieselbe Charakteristik besitzt wie die Expansion der Feuergase in dieser Turbinenstufe, so daß in derselben annähernd gleiche Enthalpiegefälle zur Verarbeitung kommen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 bewirken die Restfeuergase der dritten Turbinenstufe III, 49, 50 ebenfalls das 'Auftreten eines entsprechenden Gegendruckes, allerdings in einem etwas geringeren Ausmaß, so daß auch hier das der Beschaufelung 13 zugewiesene Enthalpiegefälle als annähernd konstant angesehen werden kann.

Aus den oben gegebenen Darlegungen erhellt, daß erfindungsgemäß eine außerordentlich einfache Turbinenausbildung mit einkränzigen Laufrädern in jeder Turbinenstufe geschaffen werden kann, so daß jede Notwendigkeit zur Anordnung stationärer Umkehrschaufeln zwischen umlaufenden Schaufelreihen fortfällt. Damit fallen die Kosten dieser Umkehrschaufeln weg und damit auch das Problem, diese' Umkehrschaufeln hinreichend kühlen zu müssen. Durch die Aufteilung des Enthalpiegesamtgefälles in Enthalpieteilgefälle wird weiter eine Reduzierung des Ausmaßes an Geschwindigkeitsänderungen bewirkt, das die Feuergase in den einzelnen Stufen bei Abarbeitung der Gesamtmenge aufweisen würden, so daß sich auch dadurch ein erhöhter Radwirkungsgrad ergibt.

Es war weiter darauf hingewiesen worden, daß durch Zuordnung mehrerer Verpuffungskammern zu einem einzigen Läufer, wobei vier Verpuffungskammern bzw. vier Gruppen von. Verpuffungskammern zu bevorzugen sind, indem bei gruppenweiser Anordnung die Kammern -mit jeweils übereinstimmendem Arbeitsspiel betätigt werden, die Möglichkeit einer Versetzung der Arbeitsspiele in den einzelnen Kammern bzw. Kammergruppen dahin besteht, daß die Laufräder kontinuierlich beaufschlagt werden.

Werden drei Turbinenstufen oder eine noch größere Anzahl von Turbinenstufen angeordnet, wie dies die Fig. 3 und 4 veranschaulichen, so kanu es vorkommen, daß die in der letzten Stufe oder in den letzten Stufen auftretenden Druckgefälle der Restfeuergase, die durch die Auslaßventile 19 entlassen werden, während gleichzeitig Ladeluft in die Verpuffungskammern eindringt, nicht ausreicht, um zu Umfangsgeschwindigkeiten der Turbinenbeschaufelung von 250 m/sec zu kommen.

Um zu verhindern, daß in diesen Fällen der oder die Läufer dieser Stufe oder Stufen als Bremsen wirkt bzw. λνίι^εη, ist es ohne weiteres möglich, den Durchmesser der Beschaufelung 50 und der gegebenenfalls folgenden Beschaufelungen kleiner zu halten als den Durchmesser der Beschaufelungen der vorhergehenden Stufen, Dadurch ist bei geringerer absoluter Geschwindigkeit der Feuergase in den Düsenanordnungen vorher ohne weiteres zu erreichen, daß die Restfeuergase in der letzten Turbinenstufe oder in den letzten Turbinenstufen ihre volle Wirksamkeit entfalten. Derartige Möglichkeiten kommen insbesondere dann in Betracht, wenn die Treibgase über Leitung 17 mit verhältnismäßig hoher Spannung angeliefert werden müssen.

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 Einlasse od. dgl. treten können, kann auf die verschiedenste Weise vorgenommen werden, etwa mechanisch, pneumatisch, hydraulisch, elektrisch,

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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.

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betriebe von Verpuffungsbrennkraftturbinen, bei dem in den Verpuffungskammern bei Verpuffungen erzeugte Feuergasgesamtmengen in Teilmengen entlassen und letztere verschiedenen Düsen- und Beschaufelungsanordnungen zugeführt werden, gekennzeichnet durch die Vereinigung des Verfahrens, zu den Dehnungen der Feuergasteilmengen in den Beschaufelungen nach letzteren, in Feuergasrichtung gesehen, synchron und mit annähernd gleicher Charakteristik auftretende Gegendrücke zu erzeugen, mit dem Verfahren, die Unterschiede in den Drücken, mit denen die Feuergasteilmengen aus den Verpuffungskammern entlassen werden, der absoluten Höhe nach so zu bestimmen, daß die durch die Differenzen dieser Drücke festgelegten Feuergasteilgefälle in ausschließlich einkränzigen Rädern verarbeitbar werden.

2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die in jeder Verpuffungskammer mit einer Verpuffung erzeugte Feuergasgesamtmenge in mindestens drei Teilgas-

. mengen aus der Kammer entlassen und wenigstens zwei dieser Teilgasmengen in verschiedenen, jeweils einkränzigen Beschaufelungen auf gegenüber den Anfangsdrücken niedrigere Drücke entspannt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Teilgasmengen mit gleichen Anfangsspannungen aus jeder der Verpuffungskammern zu verschiedenen Zeitpunkten entlassen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlassungszeitpunkte in den verschiedenen Verpuffungskammern um die Dauer der Zeitspanne gegeneinander versetzt werden, innerhalb deren eine Teilgasmenge einer Dehnung unterworfen wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung von Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Reihe von Verpuffungskammern, die im Feuergasweg über Düsen mit mehreren, jeweils einkränzigen Beschaufelungsanordnungen verbunden sind, wobei Einrichtungen zur Erzeugung eines Gegendruckes vorgesehen sind, der sich synchron und mit derselben Charakteristik ändert wie der Druck der Feuergase in der Düsen- und Beschaufelungsanordnung, hinter der, im Feuergasweg gesehen, der Gegendruck erzeugt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einkränzige, mit Umfangsgeschwindigkeiten von mindestens 250 m/sec umlaufende und Radwirkungsgrade von mindestens 75 °/o aufweisende Beschaufelungen auf mindestens zwei Rädern.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der den Beschaufelungen zugeordneten Düsenanordnungen mit mindestens einem Entlassungsorgan für Feuergase an den Verpuffungskammern in feuergasleitender Verbindung steht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer des Treibgaserzeugers aus einer Welle mit zwei einkränzigen Rädern besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer des Treibgaserzeugers aus einer Welle mit mehr als zwei einkränzigen Rädern besteht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Radgehäusen der ersten und zweiten Turbinenstufe eine Auffüllkammeranordnung mit Fang- und Auslaßdüsen vorgesehen ist, die mit Entlassungsorganen an den ·. Verpuffungskammern für Feuergasteilmengen in Verbindung steht, deren Anfangsspannung niedriger ist als die ursprüngliche Spannung der Feuergase, die der Düsen- und Beschaufelungsanordnung vor der Auffüllkammeranordnung zugeführt werden, in Feuergasströmungsrichtung gesehen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Düsenanordnung zwischen der zweiten und dritten Turbinenstufe vorgesehen ist, über die eine dritte Beschaufelungsanordnung feuergasbeaufschlagt ist.

12.. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Zuführung von frischen Feuergasen niedrigster Anfangsspannung zu der dritten Beschaufelungsanordnung.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Feuergaszuführungsrichtung zur dritten Beschaufelungsanordnung der Feuergaszuführungsrichtung zu den Beschaufelungsanordnungen der ersten und zweiten Turbinenstufen in axialer Richtung entgegengesetzt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Auffüllkammeranordnung zwischen einem Hundertstel bis fünfzehn Hundertsteln des vereinigten Rauminhalts der Verpuffungskammern beträgt, aus denen Feuergase in die erste Turbinenstufe entladen werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 594 656.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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