Brennkr aft-Freikolbenmaschinenanlage. Die Erfindung betrifft eine Brennkraft Freikolbenmaschinenanlage zur Erzeugung von Treibgas, insbesondere zum Antrieb von Gasturbinen. Bei Brennkraft-Freikolbenma- schinen haben die Treibgase wegen des hohen Druckes bei Vollast "hohe Temperaturen, so dass sich für die Verbrauchsstelle eine hohe Wärmebelastung ergibt. Bei Verwendung der Treibgase in einer Gasturbine wird insbeson dere das Material der :Schaufelung, das in folge der an den Schaufeln wirkenden Kräfte bereits hohe Beanspruchungen aushalten muss, durch die zusätzliche Wärmebelastung bis an die Grenze des Zulässigen beansprucht.
Mit dem Treibgas werden Kohlenwasser- k3 in erster Linie unverbrannte Schmier ölreste aus dem Brennkraftzylinder der Brennkraft-Freikolbenmaschine mitgerissen. Bei voller Belastung ist die Temperatur der Verbrennungsgase so hoch, dass diese Reste noch im Brennkraftzylinder oder während des Übertrittes in die Treibgasleitung ver brennen, und da es sich bei jedem Arbeits spiel des Brennkraftverdichters um geringe Mengen handelt, so tritt eine nennenswerte Erhöhung der Treibgastemperatur nicht ein.
Bei kleiner Leistung verringert sich die Temperatur der Abgase jedoch so weit, dass diese ,Ölreste nicht mehr vollständig verbren nen und sich in der Treibgasleitung, even tuell in einem Treibgasbehälter ansammeln. Wird danach die Leistung des Brennkraft verdichters wieder erhöht, so nimmt die Treibgastemperatur zu. Sobald die Zündtem- peratur der mitgerissenen Kohlenwasser stoffe erreicht wird, setzt eine rasche Ver brennung der in der Treibgasleitung an gesammelten Ölreste ein.
Da die angesam melte Menge bei längerem Betrieb mit klei ner Belastung aus vielen Arbeitsspielen der Brennkraft-Freikolbenmaschine stammt, kann es sich um eine grössere Menge handeln, die nun plötzlich verbrennt und sehr viel Wärme erzeugt.
Die Wärmeaufnahmefähigkeit des Treibgases in der Treibgasleitung, bezw. im Treibgasbehälter ist wegen der verhältnis- mässig kleinen Gasmenge nur gering, so dass infolge dieser raschen Verbrennung eine ausserordentliche Temperatursteigerung ein tritt, welche die Turbinenschaufelung in nachteiliger Weise beeinflussen und zu einer frühzeitigen Zerstörung Anlass geben kann.
Ferner tritt beim Versagen der Luftver dichtung, zum Beispiel infolge Steckenblei- bens eines Ventils, im Brennkraftzylinder der Brennkraft-Freikolbenmaschine ein Brenn stoffüberschuss auf und unverbrannter Brenn stoff geht mit den Treibgasen ab. Auch der wird sich in der Treibgasleitung ansammeln, so dass, wenn die Störung am Verdichter wieder behoben ist, die gleiche Gefahr einer übermässigen Temperaturerhöhung der Treib gase entsteht, indem durch die höhere Gas temperatur in dem erneuten betriebsmässigen Luftüberschuss der Treibgase der angesam melte Brennstoff rasch verbrennt.
Die Erfindung bezweckt, die Betriebs sicherheit zu erhöhen durch eine Einrich tung, die die Temperatur des Treibgases derart regelt, dass diese die dem Treibgas druck entsprechende Selbstentzündungstem- peratur der mit dem Treibgas mitgerissenen Kohlenwasserstoffe nicht unterschreitet.
Diese Einrichtung kann in Abhängig keit von einer Betriebsgrösse des Treibgas verbrauches zum Beispiel eine Regelung der Luftzufuhr zum motorischen Teil der Brenn- kraft-Freikolbenmaschine, eine Vorwärmung der vom Verdichterteil angesaugten Luft, zum Beispiel durch die Abgase einer von den Treibgasen angetriebenen Gasturbine oder eine Wärmezufuhr zum Treibgas bewirken.
Auf der Zeichnung sind Ausführungs beispiele der Erfindung schematisch darge stellt.
Fig. 1 zeigt eine Regelung der Luft zufuhr zur Freikolbenmaschine; Fig. 2 stellt ein Regulierdiagramm die ser Maschine dar; .
. Fig. 3 zeigt für eine Maschine mit meh reren Zylindereinheiten eine Einrichtung zum Abschalten einzelner Zylindereinheiten in Abhängigkeit von einer Betriebsgrösse des Treibgasverbrauches; Fig. 4 zeigt eine Anlage mit Regelung der obern Temperaturgrenze, und Fig. ' 5 die Zusammenschaltung von einer Brennkraft-Freikolbenmaschine und einer Brennkraftmaschine, die Leistung an einer Kurbelwelle abgibt, mit einer beiden gemein samen Gasturbine;
Fig. 6 und 7 zeigen Diagramme der Lei stungsverteilung und des Temperatur- und Druckverlaufes für eine Anlage nach Fig. 5.
Die Brennkraft-Freikolbenmaschine 1 in Fig. 1 hat einen Brennkraftzylinder 2 zwi schen zwei Verdichterzylindern 3 und zwei gegenläufig arbeitende Freikolben 4, deren Gegenläufigkeit durch ein nicht gezeichnetes mechanisches oder hydraulisches Synchroni- siergestänge aufrecht erhalten wird. Die von den Verdichterzylindern 3 angesaugte Luft wird mittels der Leitung 5 den Einlassschlit- zen -6 des Brennkraftzylinders 2 zugeführt.
Die 'Treibgase gelangen über die Auslass- schlitze 7 in die Treibgasleitung 9. Der Brennstoff wird dem Brennkraftzylinder 2 durch .die Pumpe 10, deren Plunger 11 von dem mit dem obern Freikolben 4 verbunde nen Antrieb 12 betätigt wird, über das Brennstoffventil 13 zugeführt. An die Treib- gasleitung 9 ist die Gasturbine 14 ange schlossen, welche den Generator 15 antreibt.
Der Fliehkraftregler 17 der Gasturbine 14 verstellt mittels des Hebels 18, der Stange 19 und des Hebels 20 das Regelorgan der Brennstoffpumpe, zum Beispiel ein Über- strömventil, in dem.Sinne, dass bei abnehmen dem Kraftbedarf des Generators 15 und zu nehmender Drehzahl der Turbine 14 der Regler 17 die Brennstoffzufuhr zum Brenn- kraftzylinder 2 verringert und umgekehrt.
Bei Verringerung der Belastung der Gas turbine 14 und der Freikolbenmaschine 1 nimmt zunächst der Druck des Treibgases und damit auch die Temperatur in der Treib gasleitung 9 ab. An die Leitung 9 ist mittels des Rohres 21 der Regelzylinder 22 ange schlossen, in dem der Kolben 23 arbeitet. Infolge der Abnahme des Treibgasdruckes bewegt sich der Kolben 23 von seinem An schlag 24 nach links, weil die Kraftwirkung der Feder 25 nunmehr den Treibgasdruck auf der Fläche dest Kolbens 23 überwiegt. so dass über das Gestänge 27 die Klappe 28 im Abblasestutzen 29 der Druckluftleitung 5 geöffnet wird.
Dadurch nimmt der Luft- überschuss im Brennkraftzylinder 2 ab. Die verringerte Luftmenge bei unveränderter Brennstoffzufuhr ergibt eine Temperatur erhöhung in der Treibgasleitung 9. Während bei der allgemeinen Leistungsregelung der Gasturbine 14 Druck und Temperatur des Treibgases sich gleichzeitig ändern können, ergibt sich durch diese zusätzliche Regelung durch den Kolben 23, dass die Temperatur des Treibgases einen eingestellten Grenzwert nicht unterschreitet. Dieser Grenzwert kann mittels des Handrades und der Schrauben spindel 30 eingestellt werden, mit denen die Spannung der Feder 25, bei welcher der Kol ben 23 auf den Anschlag 24 auftrifft, ver ändert werden kann.
Je nach der Spannung der Feder 25 beginnt daher die zusätzliche Regelung bei höherem oder bei niedrigerem Druck zu arbeiten, so dass dementsprechend die untere Temperaturgrenze höher oder tie fer liegt.
Die Kurve in Fig. 2 stellt den Verlauf der Temperatur der Treibgase vor der Gas turbine, über der Belastung der Brennkraft- Freikolbenmaschine für eine bestimmte Stel lung der Schraubenspindel 30 dar. Bei Ver kleinerung der Belastung sinkt die Tempe ratur des Treibgases und beim Punkt A, der einer Belastung von zirka 45% entspricht, beträgt die Temperatur nur noch 200 C, die zum Beispiel als untere Temperaturgrenze eingehalten werden soll. Sinkt die Belastung noch tiefer, so öffnet der Kolben 23 die Klappe 28 und verhindert damit, dass die Temperatur des Treibgases unter 200' sinkt.
Kann die allgemeine Belastungsregelung die Belastung der Brennkraft-Freikolbenmaschine nur bis auf den Wert von 45 % vermindern, so ist ein Unterschreiten der untern Tempe raturgrenze von 200 C verhindert. Bei einer Brennkraft-Freikolbenmaschine mit mehreren Zylindereinheiten, die Brennkraft- und Ver- dichterzylinder aufweisen, ergibt sich daher folgende einfache Einrichtung zur Regelung der Temperatur der Treibgase. In Fig. 3 sind der Einfachheit halber von einer Maschine mit drei Zylindereinheiten, welche gemeinsam einer Gasturbine Treibgas liefern, nur die Brennstoffpumpen 10a-c dargestellt.
Die Kolben 11 der Brennstoff pumpen 10a-c werden ebenso wie in Fig. 1 je mittels einer Antriebsschiene 12 von einem Freikolben angetrieben. Die drei Pumpen loa-c weisen eine gemeinsame Füllungs regelung auf, indem die Verstellwelle 31, die zum Beispiel von einem nicht gezeichneten Leistungsregler der Gasturbine aus über die Stange 32 und den Hebel 33 in Abhängig keit von der Drehzahl der Gasturbine ein gestellt wird und auf die Regelorgane der Brennstoffpumpen loa-c einwirkt. Dies kann zum Beispiel geschehen, indem der Drehpunkt eines Hebels,
'der das Überström- oder Saugventil je einer Pumpe 10 zur Mengenbemessung betätigt, mittels auf der Verstellwelle 31 aufgekeilter Exzenter ver lagert wird.
Zur Verminderung der Füllung der Brennstoffpumpen 10a-c wird die Welle 31 im Uhrzeigersinn gedreht und der Stellung I ihres Hebels 33 entspreche zum Beispiel eine Belastung von 45 % für jede der drei Zylindereinheiten. Auf der Welle 31 ist ferner eine Nockenscheibe 34 befestigt, die in der Stellung I des Hebels 33 die Kontakt feder 35 herunterdrückt. Dadurch wird der Stromkreis 36 des Steuermotors 37 geschlos sen. Der letztere verschiebt den Kolbenschie ber 38 nach rechts, der dabei je nach seiner Stellung die am Zylinder 39 angeschlossenen Saugleitungen 40a und 40b von dem gemein samen Saugrohr 41 abschaltet, an welche die Saugleitung 40c unmittelbar angeschlossen ist.
In der Stellung II des Hebels 33, in wel cher bei den Brennstoffpumpen 10a-c die volle Füllung eingestellt wird, hebt der Nocken 34 eine zweite Kontaktfeder 42, die den Stromkreis 43 des Steuermotors 37 schliesst, der durch Wechsel der Drehrich tung den Kolbenschieber nach links schiebt. Das linke Ende des Kolbenschiebers 38 steuert die Druckluftzufuhr zum Anlassen der Zylindereinheiten. Die Luft gelangt aus der Leitung 44 hinter den Kolbenschieber 38 im Zylinder 45 und durch die Bohrung 46 in die Ringnut 47, die abwechselnd die Leitungen 48a und 48b mit der Leitung 44 verbindet. Letztere hat ein vom Hebel 33 be tätigtes Abschlussorgan 49.
Die Wirkungsweise ist die folgende: Bei voller Belastung der drei Zylinder einheiten befindet sich der Hebel 33 in der Stellung II und der Schieber 38 in seiner äussersten Lage links, so dass alle Saugleitun gen 40 mit dem Saugrohr 41 verbunden sind. Bei einer Belastungsverminderung dreht sich die Welle 31 und verringert zunächst bei allen drei Zylindereinheiten die Füllung, bis diese nur noch 45 ,wo beträgt.
Nach Schliessen des Stromkreises 36 in der dieser Füllung entsprechenden Stellung I des Hebels 33 ver schiebt der Steuermotor 37 den Kolbenschie ber 38 nach rechts und schliesst damit die Saugleitung 40a ab, so dass die Brennstoff pumpe 10a nicht mehr fördert und die ihr zugehörige Zylindereinheit abgestellt wird. Damit ist die gezeichnete Stellung des Kol benschiebers 38 erreicht, in der nur noch zwei Zylindereinheiten Treibgas liefern. Nun ist aber die Belastung der zwei Zylinderein heiten bei 45% nur noch<B>30%</B> der Gesamt belastung, so dass die Leistung der Gastur bine zu klein ist und ihre Drehzahl rasch zu rückgeht.
Infolgedessen dreht der Regler die Welle 31 mit dem Hebel 33 aus der Lage I nach unten und vergrössert die Brennstoff- förderung der Brennstoffpumpen 10b und<B>10e,</B> während die Nockenscheibe 34 die Kontakt feder 35 freigibt und der Stromkreis 36 unterbrochen wird, so dass der Steuermotor 37 stillsteht und der Kolbenschieber 38 in seiner Lage verharrt.
Sinkt die Belastung der Gasturbine unter 30 % der Gesamtbelastung, so sinkt die Be lastung jeder der beiden im Betriebe ge bliebenen Zylindereinheiten unter 45 r o, so dass der Hebel 33 wiederum in die gezeich nete Lage I gelangt. Durch erneutes Schlie ssen des Stromkreises 36 wird der Schieber 38 noch weiter nach rechts verschoben und die Saugleitung 40u von dem Saugrohr 41 abgeschlossen. Sobald die der Pumpe lob zu geordnete Zylindereinheit stillsteht, muss die Belastung der der Pumpe 10c entsprechenden Zylindereinheit erhöht werden, da sie bei 45% Füllung nur noch<B>1,5%</B> der Gesamt belastung beträgt.
Der Hebel 33 senkt sich wiederum aus der Stellung I nach unten und vergrössert nur noch die Füllung der Brenn- stoffpumpe 10c der noch im Betriebe geblie benen Zylindereinheit. Die Belastung der Gasturbine kann bis auf 15 % sinken, ohne dass die Belastung dieser Zylindereinheit unter 45 % sinkt und die untere Grenze der Treibgastemperatur unterschritten wird. Bei weiterer Abnahme der Belastung der Gas turbine wird auf andere Weise, zum Bei spiel wie bei der Maschine gemäss Fig. 1, verhindert, dass die Treibgastemperatur wei ter sinkt.
Das ist nicht nötig, wenn die Teil last, bei welcher die Treibgastemperatur an der untern Grenze ist, die Belastung der gan zen Maschine im Leerlauf darstellt, sei es dass diese entsprechend viele Zylindereinhei ten besitzt, oder dass die Leistungen ihrer Zylindereinheiten entsprechend abgestuft sind. Bei vier Zylindereinheiten ist die Brennstoffpumpe 10c auch über den Zylin der 39 an das Saugrohr 41 und nur die vierte Brennstoffpumpe unmittelbar an diese angeschlossen.
Im Leerlauf ist nur eine Zylindereinheit in Betrieb und der Steuerschieber 38 ist in der äussersten Endlage rechts, wo er die bei den Saugleitungen 10a und 10b von dem Saug rohr 41 trennt. Bei zunehmender Belastung der Gasturbine wird zunächst die Füllung der Pumpe 10c bis zur vollen Belastung der zugehörigen Zylindereinheit vergrössert, wo bei der Hebel 33 bis in die Lage II gedreht wird. Dann hebt .die Nockenscheibe 34 die Kontaktfeder 42 an und schliesst den Strom kreis 43. Infolgedessen läuft der .Steuermotor 37 und schiebt den Kolbenschieber 38 nach links, so dass dieser im Zylinder 45 die Lei tung 48b und im Zylinder 39 die 'Sauglei tung 40b der Pumpe lob öffnet.
Gleichzeitig mit dem Schliessen des Stromkreises 48 hat der Hebel 33 das Abschlussorgan 49 geöffnet, so dass Druckluft aus der Leitung 44 durch die Leitung 48b in die nicht gezeichnete An- lassvorrichtung für die von der Brennstoff pumpe 10b gespiesene Zylindereinheit ge langt und ihre Freikolben in Bewegung setzt. Infolgedessen betätigt der Antrieb 12 der Brennstoffpumpe 10b den Plunger 11, die Brennstoffpumpe 10b fördert bei nun mehr geöffneter Saugleitung 40b Brennstoff und die ihr zugeordnete Zylindereinheit springt an.
Da die erforderliche Leistung der Gasturbine zunächst nur zirka '/3 der Ge samtleistung beträgt, und die beiden Zylin dereinheiten bei voller Füllung 2/z, der Ge samtleistung liefern, senkt sich der Hebel 33 nach dem Ingangsetzen der zweiten Zylin dereinheit infolge der Drehzahlsteigerung der Gasturbine, verringert die Brennstoff füllung der beiden Motoren und stellt sich in eine Lage zwischen II und I ein.
Bei weiterer Steigerung der Belastung der Gas turbine wird der Hebel 33 wiederum die Stellung II erreichen, den Stromkreis- 43 schliessen, den Steuermotor 37 einschalten und das Absperrorgan 49 öffnen. Infolge dessen wird der Kolbenschieber 38 in die linke Endlage verschoben, so dass die dritte Zylindereinheit, welche der Pumpe 10a zu geordnet ist, über die Leitung. 48a an die Druckluftleitung 44 angeschlossen und. durch ihre Anlassvorrichtung in Gang gesetzt wird. Gleichzeitig ist die Saugleitung 40a vom Schieber 38 abgedeckt worden.
Jetzt ist bei geöffneter Leitung 48a die Leitung 48b ge schlossen. so dass die Anlassvorrichtung der zweiten Zylindereinheit ohne Anlassdruck- luft bleibt.
Nach Fig. 4 wird die in den aus der Turbine 14 austretenden Abgasen enthal tene Wärme in dem Abgaskessel 50 zur Dampferzeugung ausgenutzt. Die Abgase strömen durch die Heizrohre 51 und geben ihre Wärme an das in dem Kesselraum 52 vorhandene Wasser ab, das erwärmt und ver dampft -wird. Das Speisewasser wird mittels der Speisepumpe 53 in den Kesselraum 52 gedrückt und der Dampf strömt aus dem Ab gaskessel 50 durch die Dampfleitung 54 über den Drehschieber 59 zur Dampfturbine 55, die den Generator 56 antreibt.
Von der Lei tung 54 zweigt die Leitung 58 ab, die in mehrfachen Windungen in der Treibgas druckleitung 9 angeordnet ist und zum Drehschieber 59 führt, der den Durchfluss durch die Leitungen 54 und 58 regelt. Der Kolben 60 im Zylinder 61 stellt den Schie ber 59 ein und wird einerseits durch die Feder 62, anderseits durch den Druck der Druckflüssigkeit im Zylinder 61 belastet. Der Schieber 63, dessen Stellung durch den Thermostaten 65 geregelt wird, steuert den Zutritt von Druckflüssigkeit durch den Stutzen 66 zum Zylinder 61 und ihren Ab fluss aus diesem Zylinder.
Die Einrichtung, die verhindert, dass die Treibgastemperatur unter die Selbstzün- dungstemperatur der im Treibgas mitgeris senen Kohlenwasserstoffe sinkt, ist nicht ge zeichnet in F'ig. 4.
Durch die Rohrwindungen der Leitung 58 in der Leitung 9 wird dem Treibgas umso mehr Wärme entzogen, je mehr Dampf durch die Leitung 58 durchgelassen wird, das heisst je mehr der Schieber 59 die Lei tung 58 öffnet und die Leitung 54 schliesst. Der Thermostat 65 wird so eingestellt, dass er beim Überschreiten der obern Temperatur grenze durch Anheben des Steuerschiebers 63, .den Abfluss der Druckflüssigkeit im Zy linder 61 freigibt. Dann geht der Kolben<B>60</B> unter dem Einfluss der Feder 62 nach rechts und dreht den Schieber 59 im Uhrzeiger sinn.
Hat der .Schieber 59 bis jetzt die Lei tung 58 abgesperrt, so wird sie geöffnet und die überschüssige Wärme des Treibgases vom Dampf'aufgenommen. Sinkt,die Tempe ratur des Treibgases unter eine am Thermo stat 65 eingestellte untere Temperaturgrenze so senkt der Thermostat den Steuerschieber 63 und dieser öffnet den Zufluss der Druck flüssigkeit aus der Leitung 66 zum Zylinder 61. Dadurch wird der Kolben 60 nach links geschoben, die Feder 62 zusammengedrückt und mittels des Schiebers 59 der Dampf durchtritt durch die Leitung 58 gedrosselt.
Die Brennkraft-Freikolbenmaschinenan- lage nach Fig. 5 weist ausser der Brennkraft- Freikolbenmaschine 1 eine Brennkraftma- schine 70 mit einer Kurbelwelle auf, welche über das Getriebe 71 zusammen mit der Gas turbine 14 den Generator 15 antreibt.
Die Brennkraftmaschine 70 erhält ihre Verbren- nungsluft aus der Druckluftleitung 5 und liefert gemeinsam mit der Brennkraft-Frei- kolbenmaschine 1 Treibgas über die Druck leitung 9 in die Turbine 14.
Die Leistungs- regelung der Anlage geht von dem Turbinen regler 17 aus, der über den Hebel 18 und die Stange 19 sowohl mit dem Hebel 20 das Regelorgan der Brennstoffpumpe 10 des Brennkraftzylinders 2 der Brennkraft-Frei- kolbenmaschine 1, als auch die Drosselklappe 72 im Ansaugstutzen 73 der beiden Verdicb- terzylinder 3 der Brennkraft-Freikolbenma- schine 1 so betätigt,
dass bei abnehmenden Kraftbedarf des Generators 15 infolge stei gender Drehzahl der Turbine 14 die Brenn stoffüllung des Brennkraftzylinders 2 und die von den Verdichterzylindern 3 ange saugte Luftmenge verringert wird.
In Fig. 5 wird der Kolben 75, dessen Zylinder 76 an die Druckluftleitung 5 an geschlossen ist, auf der obern Seite durch Druckluft belastet, während auf der andern Seite die Feder 77 dem Druck der Druckluft das Gleichgewicht hält. Infolgedessen hat der Kolben 77 je nach dem Druck der Druckluft eine verschiedene Stellung im Zylinder 76. Der Kolben 77 bewirkt die Einstellung eines nicht gezeichneten Regelorganes der Brenn stoffpumpe 78 der Brennkraftmaschine 70 derart, dass die Zunahme der Füllung pro portional der Zunahme des Druckes in der Leitung 5 verändert wird.
Bei sinkendem Kraftbedarf des Genera- tors 15 erhöht sich zunächst die Drehzahl von Turbine und Brennkraftmaschine und der Regler 17 verringert die Brennstoffzu fuhr durch die Pumpe 10, und damit die Füllung und die Leistung der Brennkraft- Freikolbenmaschine, gleichzeitig wird die Klappe 72 mehr zugemacht. Infolge der ver ringerten Leistung der Brennkraft-Freikol- benmaschine 1 verkleinert sich deren Hub zahl und Druck und Menge der von den Ver dichtern 3 gelieferten Luft nehmen ab.
In folge der Abnahme des Druckes in der Lei tung 5 bewegt sich der Kolben 75 nach oben und verkleinert die Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine 70. Daher nimmt sowohl die Treibgasmenge, als auch der Treibgas druck in der Leitung 9 ab und die Leistung der Gasturbine verringert sich dementspre chend. Auch die Leistung der Brennkraftma- schine 70 ist kleiner und die Gesamtleistung der beiden entspricht dem verringerten Kraftbedarf des Generators 15.
Die Temperatur des Treibgases, die mit der Gesamtleistung von der Brennkraft-Frei- kolbenmaschine 1 und der Brennkraftma- schine 70 variiert, ist - abhängig von dem Luftüberschuss in beiden. Je geringer der Leistungsanteil der Brennkraft-Freikolben- maschine an der momentanen Gesamtlei stung, umso geringer ist die geförderte Luft menge.
Für einen bestimmten Kraftbedarf des Generators 15 ist eine bestimmte Brenn stoffmenge erforderlich, die sich auf die Brennkraft-Freikolbenmaschine 1 - und die Brennkraftmaschine 70 verteilt. Je kleiner die Teilleistung der Brennkraft-Freikolben- maschine 1, umso grösser ist die Teilleistung der Brennkraftmaschine 70.
Bei Abnahme der Luftmenge, bezw. des Luftüberschusses, und gleichbleibender Gesamtbrennstoffzufuhr nimmt die Treibgastemperatur zu, und zwar kann die Temperatur der Treibgase der Brennkraft-Freikolbenmaschine 1 infolge der Verringerung der Brennstoffzufuhr auch bei Verkleinerung der Luftmenge etwa gleich bleiben, dagegen erhält die Brennkraftma- schine 70 weniger Luft und mehr Brenn stoff,
so dass eine Erhöhung der Treibgas temperatur im wesentlichen durch die höhere Temperatur der Abgase der Brennkraftma- schine 70 verursacht wird.
Um nun bei kleinen Belastungen ein Ab sinken der Temperatur unter die zulässige Grenze zu vermeiden, wird das Verhältnis der Brennstoffzufuhr zur Brennkraft-Frei- kolbenmaschine 1 und der Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine 70 so eingestellt, dass bei kleineren Belastungen die Brenn- kraftmaschine 70 einen grösseren prozen tualen Anteil der Gesamtleistung liefert als bei höheren Belastungen.
In Fig. 6 ist über der Basis der effek tiven Gesamtleistung Ne der Anlage als Or dinate der indizierte Leistungsanteil D der Brennkraftmaschine 70 aufgetragen, wo durch sich die Kurve d ergibt. Über der Kurve d ist der prozentuale Leistungsanteil F der Brennkraft-Freikolbenmaschine 1 auf getragen, wodurch die Kurve g entsteht.
Im Leerlauf leistet die Brennkraftmaschine 70 zirka zwei Drittel und die Brennkraft-Frei- kolbenmaschine 1 weniger als einen Drittel der Gesamtleistung, bei Vollast dagegen die Brennkraftmaschine 70 nur zirka einen Drit tel, während die Brennkraft-Freikolbenma- schine 1 mehr als zwei Drittel liefert.
Durch diese Änderung des Verhältnisses der Lei stung .der Brennkraft-Freikolbenmaschine 1 und der Leistung der Brennkraftmaschine 70, bezw. des Verhältnisses der Brennstoff zufuhr zu beiden Maschinen ergibt sich dann ein Temperaturverlauf der Treibgase zwi- sehen Leerlauf und Vollast nach .der Kurve t in Fig. 7, gemäss welcher die Temperatur im Leerlauf etwa bei 300 C, also weit über der Zündtemperatur der mit dem Treibgas mitgerissenen Kohlenwasserstoffe liegt. Die obere Temperaturgrenze ergibt sich durch die Temperatur bei Vollast, die etwa 450 C beträgt.
Der grössere prozentuale Leistungs anteil der Brennkraft-Freikolbenmaschine 1 bei Vollast und der sich daraus ergebende grössere Luftüberschuss bewirkten, ,dass die Temperatur bei Vollast in mit Bezug auf die Materialfestigkeit der,Schaufelung der Gas turbine zulässigen Grenzen bleibt.
Die Brennstoffzufuhr zur Brennkraftma- schine 70 könnte auch in Abhängigkeit von dem Treibgasdruck geregelt werden, der sich gemäss der Kurve p in Fig. 7 einstellt. Dann stellen sich bei den zwischenliegenden Be lastungen Temperaturen zwischen den Tem peraturen bei Leerlauf und Vollast ein. Bei gleicher Tourenzahl bleibt der Luftbedarf der Brennkraftmaschine 70 in mg, entspre chend dem gleichbleibenden Kolbenhubraüme, annähernd gleich, dagegen nimmt das Ge wicht der von der Brennkraftmaschine 70 verbrauchten Luft in kg prozentual mit dem Druck zu.
Wird daher die Füllung der Brennkraftmaschine 70 proportional der Druckänderung in der Leitung 5 geregelt, das heisst ändert sich die Leistung der Brenn kraftmaschine 70 zwischen Leerlauf und Voll- last in gleichem Masse wie der Luftdruck, so ergibt sich für die Brennkraftmaschine 70 der Vorteil eines konstanten Verhältnisses von Brennstoffüllung zu Luftgewicht und eine maximale Ausnutzung der in der Brenn kraftmaschine 70 verfügbaren Verbrennungs luft bei allen Belastungen.
Zur Einhaltung der untern Temperatur grenze kann eine besondere Wärmezufuhr zum Treibgas in Abhängigkeit von einer Be triebsgrösse des Treibgasverbrauches vorge sehen sein, indem ein in .der TreibgasdTuck- leitung eingebauter Brenner mit zusätz lichem Brennstoff gespiesen wird. Luft zum Verbrennen dieses Brennstoffes wird im allge meinen wegen des beträchtlichen Luftüber schusses in genügendem Masse vorhanden sein.
Die Regelung der zugeführten Brenn stoffmenge kann in Abhängigkeit von der Temperatur des Treibgases oder des Druckes des Treibgases erfolgen, oder es kann diese Regelung von einem Drehzahlregler einer von der Brennkraft-Freikolbenmaschine mit Treibgas versehenen Gasturbine abgeleitet werden. Bei der periodischen Lieferung des Treibgases durch die Brennkraft-Freikolben- maschine jeweils während des Auspuffes kann mittels einer periodischen Zufuhr von zusätzlichem Brennstoff eine gleichmässigere Treibgastemperatur erreicht werden.
Die Periode der zusätzlichen Brennstoffzufuhr beginnt zweckmässig jeweils mit dem Aus lass des Brennkraftzylinders, weil die an sich schwankende Temperatur des Treibgases zu Beginn des Auslasses am höchsten ist. und eine sichere Zündung des zusätzlichen Brenn stoffes gewährleistet.
Dann wirkt die mit dem Beginn der zusätzlichen Brennstoffzu fuhr einsetzende Erwärmung des Treibgases dem durch die Entspannung der Treibgase im Brennkraftzylinder bewirkten Tempera turfall entgegen. Ist dagegen der Luftüber- schuss nicht allzu gross, so ist es.
vorteilhaft, wenn die zusätzliche Brennstoffzufuhr wäh rend der Nachspülung des Brennkraftzylin- ders erfolgt, weil dann die aus dem Brenn- kraftzylinder austretenden Treibgase am sauerstoffreichsten sind, so dass dann eine vollständige Verbrennung des. zusätzlichen Brennstoffes sichergestellt ist.
Sowohl wegen der Schwankungen des. Luftüberschusses in den Treibgasen, als auch weil die Flamme eines in der Treibgasleitung angeordneten Brenners ausgelöscht werden könnte, ist zweckmässig ein besonderer an die Treibgas druckleitung angeschlossener Brennraum vor gesehen, in welchem der zusätzliche Brenn stoff mit einem Teil der verdichteten Luft verbrannt wird, die von der Druckluftleitung unter Umgehung des Brennkraftzylinders zu geführt wird. Die Verbrennungsgase werden nachher mit. dem Treibgas gemischt.
Dies ermöglicht eine Sicherstellung der Verbren nung, die noch zum Beispiel durch in diesem Brennraum angeordnete Glühkörper oder eine Vorwärmung des zusätzlichen Brennstoffes verbessert, werden kann. Die Zufuhr des zu sätzlichen Brennstoffes erfolgt zweckmässi- gerweise beim Austritt der Luft in die Treib gasleitung und ist .dem Treibgasstrom vor teilhafterweise entgegengerichtet, um eine gute Vermischung und eine gleichmässige Erwärmung der Treibgase zu erhalten.
Schliesslich kann die Temperatur der Treib gase auch .dadurch über der zulässigen un tern Grenze gehalten werden, dass. die vom Verdichterteil der Brennkraft-Freikolbenma- schine angesaugte Luft vorgewärmt wird, zum Beispiel durch die Abgase der Gastur bine; die Höhe der Vorwärmung kann ent sprechend einer Betriebsgrösse des Treibgas verbrauches geregelt werden.
Anstatt die Temperatur der zum Speisen einer Gasturbine dienenden Treibgase erst beim Unterschreiten der Zündtemperatur der mit dem Treibgas mitgerissenen Kohlen wasserstoffe zu erhöhen und beim Über schreiten der der Materialfestigkeit der Tur- binenschaufelung entsprechenden obern Tem peraturgrenze zu erniedrigen, können die bei den Grenzen zusammengelegt werden, so dass die Treibgase auf konstante Temperatur vor der Gasturbine geregelt werden. Wenn die Treibgase unabhängig von der Belastung mit stets gleicher Temperatur in die Gasturbine eintreten, ergibt sich der Vorteil, dass das Spiel zwischen 'Sehaufelung und Gehäuse, sowie auch in den Dichtungen sich nicht ändert.
So wird eine Zunahme der Leck verluste bei Abnahme der Leistung der Gas turbine, infolge Vergrösserung der vorge nannten Spiele durch kühlere Gase ver mieden.
Combustion free piston machine system. The invention relates to an internal combustion free-piston machine system for generating propellant gas, in particular for driving gas turbines. In internal combustion free-piston engines, the propellant gases have high temperatures because of the high pressure at full load, so that there is a high heat load for the point of consumption. When using propellant gases in a gas turbine, the material of the: Blading, which in consequence of the Forces acting on the blades already have to withstand high loads, due to the additional thermal load being stressed to the limit of the permissible.
With the propellant gas, hydrocarbon k3 primarily unburned lubricating oil residues are carried away from the internal combustion cylinder of the internal combustion free-piston engine. At full load, the temperature of the combustion gases is so high that these residues still burn in the internal combustion cylinder or during the transition to the fuel gas line, and since every work cycle of the internal combustion compressor is small, there is no significant increase in the fuel gas temperature one.
At low power, however, the temperature of the exhaust gases is reduced to such an extent that these oil residues no longer burn completely and collect in the propellant gas line, possibly in a propellant gas container. If the power of the internal combustion compressor is then increased again, the propellant gas temperature increases. As soon as the ignition temperature of the entrained hydrocarbons is reached, the oil residues collected in the propellant gas line begin to burn rapidly.
Since the accumulated amount comes from many work cycles of the internal combustion free-piston engine during prolonged operation with a small load, it can be a larger amount that now suddenly burns and generates a lot of heat.
The heat absorption capacity of the propellant gas in the propellant gas line, respectively. in the propellant gas container is only small because of the relatively small amount of gas, so that as a result of this rapid combustion an extraordinary increase in temperature occurs, which adversely affects the turbine blades and can lead to premature destruction.
Furthermore, if the air compression fails, for example as a result of a valve getting stuck, an excess of fuel occurs in the internal combustion cylinder of the internal combustion free-piston engine and unburned fuel is released with the propellant gases. This will also accumulate in the propellant gas line, so that when the fault on the compressor is remedied, there is the same risk of an excessive increase in the temperature of the propellant gases, as the fuel quickly accumulates due to the higher gas temperature in the renewed operational excess of air in the propellant gases burns.
The aim of the invention is to increase operational safety by means of a device which regulates the temperature of the propellant gas in such a way that it does not fall below the self-ignition temperature of the hydrocarbons entrained with the propellant gas, which corresponds to the propellant gas pressure.
Depending on an operating variable of the propellant gas consumption, this device can, for example, regulate the air supply to the motor part of the internal combustion free-piston engine, preheat the air sucked in by the compressor part, for example by means of the exhaust gases from a gas turbine driven by the propellant gases, or a heat supply to cause propellant.
In the drawing, execution examples of the invention are schematically Darge provides.
Fig. 1 shows a control of the air supply to the free piston machine; Fig. 2 is a regulation diagram of this machine; .
. Fig. 3 shows, for a machine with several cylinder units, a device for switching off individual cylinder units as a function of an operating variable of the propellant gas consumption; FIG. 4 shows a system with regulation of the upper temperature limit, and FIG. 5 shows the interconnection of an internal combustion free-piston engine and an internal combustion engine that delivers power to a crankshaft with a common gas turbine;
6 and 7 show diagrams of the power distribution and the temperature and pressure curve for a system according to FIG.
The internal combustion free-piston machine 1 in FIG. 1 has an internal combustion cylinder 2 between two compressor cylinders 3 and two counter-rotating free pistons 4 whose counter-rotation is maintained by a mechanical or hydraulic synchronizing linkage, not shown. The air sucked in by the compressor cylinders 3 is fed to the inlet slots -6 of the internal combustion cylinder 2 by means of the line 5.
The propellant gases enter the propellant gas line 9 via the outlet slots 7. The fuel is fed to the internal combustion cylinder 2 through the pump 10, the plunger 11 of which is actuated by the drive 12 connected to the upper free piston 4, via the fuel valve 13. The gas turbine 14, which drives the generator 15, is connected to the propellant gas line 9.
The centrifugal governor 17 of the gas turbine 14 adjusts the control element of the fuel pump, for example an overflow valve, by means of the lever 18, the rod 19 and the lever 20 in the sense that when the power requirement of the generator 15 decreases and the speed of the turbine increases 14 the regulator 17 reduces the fuel supply to the internal combustion cylinder 2 and vice versa.
When the load on the gas turbine 14 and the free-piston machine 1 is reduced, the pressure of the propellant gas and thus also the temperature in the propellant gas line 9 initially decrease. The control cylinder 22 is connected to the line 9 by means of the tube 21, in which the piston 23 operates. As a result of the decrease in the propellant gas pressure, the piston 23 moves from its stop 24 to the left because the force of the spring 25 now outweighs the propellant gas pressure on the surface of the piston 23 least. so that the flap 28 in the blow-off nozzle 29 of the compressed air line 5 is opened via the rod 27.
As a result, the excess air in the internal combustion cylinder 2 decreases. The reduced amount of air with an unchanged fuel supply results in a temperature increase in the propellant gas line 9. While the general power control of the gas turbine 14 pressure and temperature of the propellant gas can change simultaneously, this additional control by the piston 23 results in the temperature of the propellant gas does not fall below the set limit. This limit can be set by means of the handwheel and the screw spindle 30, with which the tension of the spring 25, in which the Kol ben 23 strikes the stop 24, can be changed ver.
Depending on the tension of the spring 25, the additional regulation therefore begins to work at a higher or lower pressure, so that the lower temperature limit is accordingly higher or lower.
The curve in Fig. 2 shows the course of the temperature of the propellant gases in front of the gas turbine, over the load on the internal combustion free-piston engine for a certain position of the screw spindle 30. When the load is reduced, the tempe temperature of the propellant gas and at point A decreases , which corresponds to a load of around 45%, the temperature is only 200 C, which should be maintained as the lower temperature limit, for example. If the load drops even lower, the piston 23 opens the flap 28 and thus prevents the temperature of the propellant gas from falling below 200 '.
If the general load control can only reduce the load on the internal combustion free-piston engine to a value of 45%, the temperature below the lower temperature limit of 200 C is prevented. In the case of an internal combustion free-piston engine with a plurality of cylinder units which have internal combustion and compressor cylinders, the following simple device for regulating the temperature of the propellant gases is therefore obtained. For the sake of simplicity, FIG. 3 shows only the fuel pumps 10a-c of a machine with three cylinder units which together supply propellant gas to a gas turbine.
The pistons 11 of the fuel pumps 10a-c are driven by a free piston by means of a drive rail 12, as in FIG. 1. The three pumps loa-c have a common filling control by the adjusting shaft 31, which is set, for example, from a power regulator, not shown, of the gas turbine via the rod 32 and the lever 33 depending on the speed of the gas turbine the control elements of the fuel pumps loa-c acts. This can be done, for example, by setting the pivot point of a lever,
'which actuates the overflow or suction valve of a pump 10 for measuring the quantity, is stored ver by means of eccentrics wedged on the adjusting shaft 31.
To reduce the filling of the fuel pumps 10a-c, the shaft 31 is rotated clockwise and the position I of its lever 33 corresponds, for example, to a load of 45% for each of the three cylinder units. On the shaft 31, a cam plate 34 is also attached, the contact spring 35 presses down in the position I of the lever 33. As a result, the circuit 36 of the control motor 37 is closed sen. The latter moves the piston valve 38 to the right, which depending on its position switches off the suction lines 40a and 40b connected to the cylinder 39 from the common suction pipe 41, to which the suction line 40c is directly connected.
In the position II of the lever 33, in wel cher in the fuel pumps 10a-c, the full filling is set, the cam 34 lifts a second contact spring 42, which closes the circuit 43 of the control motor 37, the direction of rotation by changing the piston valve left pushes. The left end of the piston valve 38 controls the supply of compressed air for starting the cylinder units. The air passes from the line 44 behind the piston valve 38 in the cylinder 45 and through the bore 46 into the annular groove 47, which alternately connects the lines 48a and 48b with the line 44. The latter has a closing body 49 actuated by the lever 33.
The mode of operation is as follows: When the three cylinder units are fully loaded, the lever 33 is in position II and the slide 38 is in its outermost position on the left, so that all suction lines 40 are connected to the suction pipe 41. When the load is reduced, the shaft 31 rotates and initially reduces the filling in all three cylinder units until it is only 45 where.
After closing the circuit 36 in the position I of the lever 33 corresponding to this filling, the control motor 37 pushes the piston valve over 38 to the right and thus closes the suction line 40a, so that the fuel pump 10a no longer delivers and the cylinder unit belonging to it is switched off . So that the drawn position of the piston piston 38 is reached, in which only two cylinder units deliver propellant gas. Now, however, the load on the two cylinder units at 45% is only <B> 30% </B> of the total load, so that the output of the gas turbine is too small and its speed drops rapidly.
As a result, the controller rotates the shaft 31 with the lever 33 down from position I and increases the fuel delivery of the fuel pumps 10b and 10e, while the cam disk 34 releases the contact spring 35 and the circuit 36 is interrupted is so that the control motor 37 comes to a standstill and the piston valve 38 remains in its position.
If the load on the gas turbine falls below 30% of the total load, the load on each of the two cylinder units remaining in operation drops below 45 ro, so that the lever 33 again moves into position I shown. By closing the circuit 36 again, the slide 38 is displaced even further to the right and the suction line 40u is closed off from the suction pipe 41. As soon as the cylinder unit assigned to the pump lob comes to a standstill, the load on the cylinder unit corresponding to the pump 10c must be increased, since at 45% filling it is only 1.5% of the total load.
The lever 33 again lowers from the position I and only increases the filling of the fuel pump 10c of the cylinder unit still in operation. The load on the gas turbine can drop to 15% without the load on this cylinder unit falling below 45% and the lower limit of the propellant gas temperature being undershot. With a further decrease in the load on the gas turbine, another way, for example as in the case of the machine according to FIG. 1, prevents the propellant gas temperature from falling further.
This is not necessary if the partial load, at which the fuel gas temperature is at the lower limit, represents the load on the entire machine when idling, be it that it has a corresponding number of cylinder units or that the performance of its cylinder units is graded accordingly. With four cylinder units, the fuel pump 10c is also connected to the intake manifold 41 via the cylinder 39 and only the fourth fuel pump is directly connected to it.
When idling, only one cylinder unit is in operation and the control slide 38 is in the extreme end position on the right, where it separates the suction pipe 41 from the suction lines 10a and 10b. When the load on the gas turbine increases, the filling of the pump 10c is initially increased up to the full load on the associated cylinder unit, where the lever 33 is rotated into position II. Then .the cam disk 34 lifts the contact spring 42 and closes the circuit 43. As a result, the control motor 37 runs and pushes the piston valve 38 to the left, so that this line 48b in cylinder 45 and the suction line 40b in cylinder 39 the pump lob opens.
Simultaneously with the closing of the circuit 48, the lever 33 has opened the closing element 49, so that compressed air from the line 44 through the line 48b into the starting device (not shown) for the cylinder unit fed by the fuel pump 10b and its free pistons start moving puts. As a result, the drive 12 of the fuel pump 10b actuates the plunger 11, the fuel pump 10b delivers fuel when the suction line 40b is now more open and the cylinder unit assigned to it starts up.
Since the required power of the gas turbine is initially only about '/ 3 of the total output, and the two cylinder units deliver 2 / z of the total output when fully charged, the lever 33 lowers after the second cylinder unit is started as a result of the increase in speed Gas turbine, reduces the fuel filling of the two engines and adjusts itself to a position between II and I.
If the load on the gas turbine is increased further, the lever 33 will again reach position II, close the circuit 43, switch on the control motor 37 and open the shut-off element 49. As a result, the piston slide 38 is moved into the left end position, so that the third cylinder unit, which is assigned to the pump 10a, via the line. 48a connected to the compressed air line 44 and. is started by its starting device. At the same time, the suction line 40a has been covered by the slide 38.
Now the line 48b is closed with the line 48a open. so that the starting device of the second cylinder unit remains without starting compressed air.
According to FIG. 4, the heat contained in the exhaust gases emerging from the turbine 14 is utilized in the exhaust gas boiler 50 for generating steam. The exhaust gases flow through the heating pipes 51 and give off their heat to the water present in the boiler room 52, which is heated and evaporated. The feed water is pressed into the boiler room 52 by means of the feed pump 53 and the steam flows from the gas boiler 50 through the steam line 54 via the rotary valve 59 to the steam turbine 55, which drives the generator 56.
From the Lei device 54 branches off the line 58, which is arranged in multiple turns in the propellant gas pressure line 9 and leads to the rotary valve 59, which regulates the flow through the lines 54 and 58. The piston 60 in the cylinder 61 sets the slide via 59 and is loaded on the one hand by the spring 62 and on the other hand by the pressure of the pressure fluid in the cylinder 61. The slide 63, the position of which is controlled by the thermostat 65, controls the entry of pressure fluid through the nozzle 66 to the cylinder 61 and its flow from this cylinder.
The device which prevents the propellant gas temperature from falling below the self-ignition temperature of the hydrocarbons entrained in the propellant gas is not shown in FIG. 4th
Through the pipe windings of the line 58 in the line 9, the more heat is withdrawn from the propellant gas, the more steam is allowed to pass through the line 58, that is, the more the slide 59 opens the line 58 and the line 54 closes. The thermostat 65 is set in such a way that when the upper temperature limit is exceeded, it releases the outflow of the pressure fluid in the cylinder 61 by lifting the control slide 63. Then the piston 60 moves to the right under the influence of the spring 62 and rotates the slide 59 in a clockwise direction.
If the slide 59 has shut off the line 58 up to now, it is opened and the excess heat of the propellant gas is absorbed by the steam. If the temperature of the propellant gas falls below a lower temperature limit set on the thermostat 65, the thermostat lowers the control slide 63 and this opens the flow of pressure fluid from the line 66 to the cylinder 61. This pushes the piston 60 to the left, the spring 62 compressed and throttled by means of the slide 59, the steam passes through the line 58.
The internal combustion free-piston engine system according to FIG. 5 has, in addition to the internal combustion free-piston engine 1, an internal combustion engine 70 with a crankshaft which drives the generator 15 via the gear 71 together with the gas turbine 14.
The internal combustion engine 70 receives its combustion air from the compressed air line 5 and, together with the internal combustion free-piston engine 1, delivers propellant gas via the pressure line 9 into the turbine 14.
The power control of the system is based on the turbine controller 17, which via the lever 18 and the rod 19 controls the control element of the fuel pump 10 of the internal combustion cylinder 2 of the internal combustion free-piston engine 1 as well as the throttle valve 72 with the lever 20 Intake stubs 73 of the two compressor cylinders 3 of the internal combustion free-piston machine 1 are actuated so that
that with decreasing power requirement of the generator 15 due to rising speed of the turbine 14, the fuel filling of the internal combustion cylinder 2 and the amount of air sucked in by the compressor cylinders 3 is reduced.
In Fig. 5, the piston 75, the cylinder 76 of which is closed to the compressed air line 5, is loaded on the upper side by compressed air, while on the other side the spring 77 keeps the pressure of the compressed air in balance. As a result, the piston 77 has a different position in the cylinder 76 depending on the pressure of the compressed air. The piston 77 causes the setting of a control element, not shown, of the fuel pump 78 of the internal combustion engine 70 such that the increase in the filling is proportional to the increase in pressure in the Line 5 is changed.
When the power requirement of the generator 15 decreases, the speed of the turbine and internal combustion engine initially increases and the controller 17 reduces the fuel supply drove through the pump 10, and thus the filling and the power of the internal combustion free-piston engine, at the same time the flap 72 is closed more. As a result of the reduced performance of the internal combustion free-piston machine 1, the number of strokes is reduced, and the pressure and amount of air supplied by the compressors 3 decrease.
As a result of the decrease in pressure in the line 5, the piston 75 moves upwards and reduces the fuel supply to the internal combustion engine 70. Therefore, both the amount of propellant gas and the propellant gas pressure in the line 9 and the performance of the gas turbine decreases accordingly corresponding. The power of the internal combustion engine 70 is also smaller and the total power of the two corresponds to the reduced power requirement of the generator 15.
The temperature of the propellant gas, which varies with the total power of the internal combustion engine 1 and the internal combustion engine 70, is dependent on the excess air in both. The lower the power share of the internal combustion free-piston engine in the current total power, the lower the amount of air delivered.
For a certain power requirement of the generator 15, a certain amount of fuel is required, which is distributed between the internal combustion engine free-piston engine 1 and the internal combustion engine 70. The smaller the partial power of the internal combustion engine free-piston machine 1, the greater the partial power of the internal combustion engine 70.
When the amount of air decreases, respectively. of the excess air, and constant total fuel supply, the propellant gas temperature increases, and indeed the temperature of the propellant gases of the internal combustion free-piston engine 1 can remain approximately the same as a result of the reduction in the fuel supply even when the amount of air is reduced, on the other hand the internal combustion engine 70 receives less air and more fuel ,
so that an increase in the propellant gas temperature is essentially caused by the higher temperature of the exhaust gases from internal combustion engine 70.
In order to prevent the temperature from falling below the permissible limit with small loads, the ratio of the fuel supply to the internal combustion engine free-piston machine 1 and the fuel supply to the internal combustion engine 70 is set so that the internal combustion engine 70 has a higher percentage when the loads are lower tual share of the total output than with higher loads.
In Fig. 6, the indexed power portion D of the internal combustion engine 70 is plotted over the base of the effek tive total power Ne of the system as Or dinate, where the curve d results. The percentage power share F of the internal combustion free-piston engine 1 is plotted above curve d, which results in curve g.
When idling, the internal combustion engine 70 provides approximately two thirds and the internal combustion free-piston machine 1 less than a third of the total output, while at full load the internal combustion engine 70 only provides approximately one third, while the internal combustion free-piston machine 1 supplies more than two thirds.
This change in the ratio of the performance .der internal combustion engine free piston engine 1 and the power of the internal combustion engine 70, respectively. the ratio of the fuel supply to both machines then results in a temperature profile of the propellant gases between idling and full load according to the curve t in FIG. 7, according to which the temperature when idling is around 300 C, i.e. well above the ignition temperature of the Propellant entrained hydrocarbons lies. The upper temperature limit results from the temperature at full load, which is around 450 C.
The greater percentage of power of the internal combustion free-piston engine 1 at full load and the resulting greater excess of air have the effect that the temperature at full load remains permissible with regard to the material strength of the blades of the gas turbine.
The fuel supply to the internal combustion engine 70 could also be regulated as a function of the propellant gas pressure, which is established according to curve p in FIG. Temperatures between idling and full load then arise during the intermediate loads. With the same number of revolutions, the air requirement of the internal combustion engine 70 in mg, corresponding to the constant piston stroke space, remains approximately the same, whereas the weight of the air consumed by the internal combustion engine 70 in kg increases as a percentage with the pressure.
If, therefore, the filling of the internal combustion engine 70 is regulated proportionally to the pressure change in the line 5, that is, the output of the internal combustion engine 70 changes between idling and full load to the same extent as the air pressure, the internal combustion engine 70 has the advantage of a constant one Ratio of fuel filling to air weight and maximum utilization of the combustion air available in the internal combustion engine 70 for all loads.
To maintain the lower temperature limit, a special supply of heat to the propellant gas can be provided depending on the size of the propellant gas consumption, in that a burner built into the propellant gas discharge line is fed with additional fuel. Air for burning this fuel will generally be available in sufficient quantities because of the considerable excess of air.
The amount of fuel supplied can be regulated as a function of the temperature of the propellant gas or the pressure of the propellant gas, or this control can be derived from a speed controller of a gas turbine provided with propellant by the internal combustion engine. With the periodic delivery of the propellant gas by the internal combustion free-piston engine during the exhaust, a more uniform propellant gas temperature can be achieved by means of a periodic supply of additional fuel.
The period of the additional fuel supply expediently begins with the outlet of the internal combustion cylinder, because the temperature of the propellant gas, which varies per se, is highest at the beginning of the outlet. and a safe ignition of the additional fuel is guaranteed.
Then the onset of heating of the propellant gas at the beginning of the additional fuel supply counteracts the fall in temperature caused by the expansion of the propellant gases in the internal combustion cylinder. If, on the other hand, the excess air is not too great, it is.
It is advantageous if the additional fuel supply takes place during the rinsing of the internal combustion cylinder, because then the propellant gases emerging from the internal combustion cylinder are richest in oxygen, so that complete combustion of the additional fuel is then ensured.
Both because of the fluctuations in the excess air in the propellant gases, as well as because the flame of a burner arranged in the propellant gas line could be extinguished, a special combustion chamber connected to the propellant gas pressure line is expediently provided in which the additional fuel with part of the compressed Air is burned, which is led to by the compressed air line bypassing the internal combustion cylinder. The combustion gases are afterwards with. mixed with the propellant.
This enables combustion to be ensured, which can be improved, for example, by incandescent bodies arranged in this combustion chamber or by preheating the additional fuel. The additional fuel is expediently fed in when the air exits the propellant gas line and is advantageously directed in the opposite direction to the propellant gas flow in order to obtain good mixing and uniform heating of the propellant gases.
Finally, the temperature of the propellant gases can also be kept above the permissible lower limit by preheating the air sucked in by the compressor part of the free-piston internal combustion engine, for example by the exhaust gases from the gas turbine; the amount of preheating can be regulated according to an operating size of the propellant gas consumption.
Instead of increasing the temperature of the propellant gases used to feed a gas turbine only when the ignition temperature of the hydrocarbons entrained with the propellant gas falls below the temperature and decreases it when the upper temperature limit corresponding to the material strength of the turbine blades is exceeded, the limits can be combined so that the propellant gases are regulated to a constant temperature upstream of the gas turbine. If the propellant gases enter the gas turbine at the same temperature, regardless of the load, there is the advantage that the clearance between the blades and the housing, and also in the seals, does not change.
An increase in leakage losses when the performance of the gas turbine decreases as a result of the increase in the aforementioned games due to cooler gases is avoided.