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Betriebsverfahren für Brennkraftturbinenanlagen Brennkraftturbinenänlagen,
bei denen das zündfähige Gemisch in den kolbenlosen Verpu -f"tungskammern einer
Verpuffungsbrennkraftturbine gebildet und in ihnen rhythmisch verpufft wird, erfordern
zur Verwirklichung genügender Aufladegewichte und zum Austreiben der Verbrennungsrückstände
aus den Verpuffungskammern Verdichter für die Betriebsmittel der Turbine. Der Antrieb
dieser Verdichter hat dem Brennkraftturbinenbau von jeher besondere Aufgaben gestellt.
Betrachtet man zunächst die einstufige Abarbeitung der erzeugten Verbrennungsgase
in einer einzigen Turbinenstufe, so ist es naheliegend, den Verdichter von der Verpuffungsbrennkraftturbine
selbst antreiben zu lassen. Dieser in der ersten Entwicklungszeit des Brennkraftturbinenbaues
gemachte Vorschlag hat jedoch den Nachteil, daß beim Anfahren der Turbine fremderzeugte
Spül- und Ladeluft benötigt wird. Da man sehr bald dazu überging, die Abwärme der
Turbinenanlage auszunutzen, indem man beispielsweise mittels der Turbinenabwärme
Dampf' erzeugte und den erzeugten Druckdampf in, besonderen Dampfturbinen in mechanische
Energie umsetzte, so verwandte man die so gewonnene Leistung zum Antrieb der Verdichter.
Es zeigte sich, daß die Leistung einer so mittels der Turbinenabwärme betriebenen
Dampfturbine mit dem zur Verdichtung erforderlichen Leistungsbedarf bei Vollast
in Übereinstimmung gebracht werden konnte; die Schaltung scheint dabei zunächst
große Vorteile zu bieten, da sie einen sehr einfachen Aufbau ergibt und auch die
Anfahrschwierigkeiteri beseitigt, weil der zum Antrieb der Turbine erforderliche
Fremddampf mit Leichtigkeit erzeugt werden kann, wenn er nicht unmittelbar zur Verfügung
steht. Der Anfahrvorgang wird also erleichtert, da eine gewisse Verdichtung vorhanden
sein muß, bevor die Verpuffungsbrennkraftturbine in Betrieb gesetzt werden kann.
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Bei den Anlagen dagegen, bei denen das in Verbrennungsgasen enthaltene
Arbeitsvermögen in zwei und mehreren Turbinenstufen umgesetzt wird, wobei die erste
Turbinenstufe von der eigentlichen Verpuffungsbrennkraftturbine gebildet wird, welche
die starken Druckschwankungen während des Teilexpansionsvorganges unmittelbar empfängt,
während den nachgeschalteten Stufen die Verbrennungsgase verhältnismäßig gleichmäßig
unter dem entsprechend hoch gehaltenen Gegendruck der Verpuffungsbrennkraftturbine
bzw. der vorgeschalteten Dauerstromturbinen zuströmen, hat man auch schon den Verdichter
durch die Verpuffungsbrennkraftturbine angetrieben, während die Nutzleistung gemeinsam
durch die Dauerstromturbinen und die mittels der Abwärme betriebenen Dampfturbinen.
abgegeben wurde. Eine derartige Schaltung hat sich besonders für Fahrzeuge als vorteilhaft
erwiesen, da sie es ohne weiteres ermöglicht, die aus Verpuffungsturbine und Verdichter
bestehende Maschineneinheit zunächst für sich in Betrieb
zu nehmen,
worauf das Fahrzeug jederzeit durch Zulassung von Verbrennungsgasen und Dampf zu
den mit der Treibachse gekuppelten Dauerstrom- und Dampfturbinen in Bewegung gesetzt
werden kann. Auf diese Weise kommt die beim Brennkraftmaschinenbetrieb von Fahrzeugen
bisher erforderliche unerwünschte Kupplung zwischen Brennkraftmaschine und Fahrzeugantrieb
in Fortfall. Auch bei der zuletzt beschriebenen Schaltung ist es ohne weiteres möglich,
die Leistung der eigentlichen Verpuffungsbrennkraftmaschine und den Leistungsbedarf
des Verdichters bei Vollast miteinander in Einklang zu bringen.
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Genauere Untersuchungen haben nun gezeigt, daß die Leistungen der
bisher zum Antrieb des Verdichters gewählten Kraftmaschinen und der Leistungsbedarf
der Verdichter bei Schwankungen der Belastungen nicht gleichartig verlaufen. Sowohl
beim Antrieb, des Verdichters durch die Dampfturbine wie durch die Verpuffungsbrennkraftturbine
nimmt der Leistungsbedarf des Verdichters erheblich schneller ab, als der Leistungsanfall
der Dampfturbine oder der Verpuffungsbrennkraftturbine sinkt. Dies ist insbesondere
der Fall, wenn die Betriebsbedingungen der Verpuffungskamniern so gewählt sind,
daß der spezifische Wärmeinhalt des in ihnen verpufften Gemisches, d. h. die je
Kubikmeter Normalzustand der Verbrennungsluft zugeführten Wärmeeinheiten über den
Belastungsbereich, auf der gleichen Höhe gehalten werden soll bzw. sollen. Eine
derartige Gleichhaltung des spezifischen Wärmeinhaltes des Gemisches hat sich als
vorteilhaft erwiesen, um die Temperaturverhältnisse, unter denen die Verpuffung
abläuft, unabhängig von der Belastung möglichst unverändert zu halten, so daß hierdurch
die Verdampfung, Vergasung, Aufschließung, Zündung und Verbrennung des Brennstoffes
unter den gleichen günstigsten Bedingungen vor sich geht; außerdem erhält man bei
gleichem Wärmeinhalt des Gemisches gleiche Strahlgeschwindigkeiten und damit den
gleichen Radwirkungsgrad in der Turbine. Betrachtet man demgegenüber die Schaltung,
bei welcher die Verdichter durch die mittels der Abwärme der Anlage betriebene Dampfturbine
angetrieben werden, so zeigt sich, daß bei sinkender Belastung eine erhebliche Überschußleistung
der Dampfturbine über den Leistungsbedarf des Verdichters hinaus entsteht. In Erkenntnis
dieses Umstandes hat man zwar schon. besondere Maßnahmen vorgeschlagen, um die überschußleistung
nutzbar zu machen. So soll vom Verdichter geförderte überschußluft der Dauerstrom-'turbine
zusammen mit den aus der Verpuffungsbrennkraftturbine austretenden Verbrennungsgasen
zugeleitet werden. Man kann auch durch besondere Vorrichtungen das Auftreten derartiger
Überschußleistungen künstlich verhindern, indem z. B. in denjenigen Fällen, in denen
die Verpuffungsbrennkraftturbine den Verdichter antreibt, der Gegendruck der Verpuffungsbrennkraftturbine
beeinflußt wird, indem man beispielsweise den Zutrittsquerschnitt zur nachgeschalteten
Dauerstromturbine verändert. Derartige besondere Einrichtungen stören jedoch einerseits
den einheitlichen Aufbau der Anlage, verursachen gewisse Bedienungsschwierigkeiten
und sind andererseits mit einer gewissen Einbuße am Gesamtwirkungsgrad der Anlage
verknüpft.
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Man könnte auch daran denken, die Überschußleistung der die Verdichter
antreibenden Verpuffungsbrennkraft- und Dampfturbine dadurch auszunutzen, daß diese
Einheiten mit der Dauerstromturbine zusammengekuppelt werden, welche die äußere
Leistung abgibt. Aber auch diese Anordnung erscheint nicht vorteilhaft, da einerseits
die Kupplung einer Vielzahl von Turbineneinheiten Schwierigkeiten macht, andererseits
die Drehzahl des Verdichters in Abhängigkeit gebracht wird von der Drehzahl, unter
der die äußere Leistung abgegeben wird. Demgegenüber ist es erstrebenswert, mit
den baulich und betrieblich einfachsten Maßnahmen auszukommen; weiter soll es möglich
sein, daß die den. Verdichter antreibende Kraftmaschine mit der für den Verdichter
jeweils bestgeeigneten Drehzahl betrieben wird.
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Befriedigen so die bisher bekanntgewordenen Vorschläge bei Teilbelastungen
nicht völlig, so werden sie geradezu unverwendbar, wenn sehr hohe Aufladedrücke
in Betracht kommen; zu derartig hohen Auflade- bzw. Verdichtungsdrücken kommt man
zwangsläufig durch die Entwicklung der Hochleistungsturbine. Bei diesen hohen Rufladedrücken
übersteigt der Leistungsbedarf der Verdichter beispielsweise die anfallende Leistung
der mittels der Abwärme betriebenen Dampfturbine ganz erheblich, und auch die Anpassung
der Leistung der eigentlichen Verpuffungsbrennkraftturbine an den Leistungsbedarf
der Verdichter erfordert eine bewußte Erniedrigung des Gegendruckes der Verpuffungsbrennkraftturbine,
welche den Gesamtwirkungsgrad der Anlage ungünstig beeinflußt.
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Vorliegende Erfindung setzt sich daher zur Aufgabe, eine Schaltung
für den Antrieb der Verdichter zu entwickeln, welche diese Nachteile vermeidet und
insbesondere eine selbsttätige Anpassung der Verdichterantriebsmaschine an den Leistungsbedarf
der Verdichter bei praktisch gleichbleibendem spezifischen
Wärmeinhalt
des Gemisches ohne verwickelte Regeleinrichtungen gewährleistet und dabei auch für
die höchsten Verdichtungsdrücke anwendbar bleibt. Die erfindungsgemäß ermittelte
Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich dadurch, daß die Leistung der Dauerstroniturbinen
auf die die Spül- und Ladeluft der Verpuffungskammern erzeugenden Verdichter übertragen
wird, während die äußere Leistung der Verpuffungsbrennkraftturbine und vorteilhaft
auch der Dampfturbine entzogen wird, die mit dem durch Abwärmeverwertung der Anlage
erzeugten Dampf gespeist wird. Der Leistungsanfall der Dauerstromturbinen deckt
sich nämlich nahezu vollkommen mit dem Leistungsbedarf der Verdichter, so daß sich
nahezu über den gesamten Regelbereich ein. praktisch gleichbleibender Wärmeinhalt
des Gemisches in der gewünschten Höhe selbsttätig einstellt und trotz Anwendung
höchster Aufladedrücke erhalten bleibt.
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Die Verwirklichung des Erfindungsgedankens ist unabhängig von der
besonderen Art, wie die äußere Leistung erzeugt wird. So kann beispielsweise der
mittels der Turbinenabwärme erzeugte Dampf auch zu Heizzwecken dienen, anstatt,
wie üblich, in einer Dampfturbine zur Abgabe bestimmte äußere Leistung zu entwickeln.
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Die Zeichnung zeigt die in Betracht kominenden Verhältnisse an Hand
des Leistungsdiagramines in Abhängigkeit von den Rufladedrücken.
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Dem Diagramm ist zugrunde gelegt eine VerpuffungsbrennkrafttLirbinenanlage,
die bei Vollast 8ooo kW bei etwa. 2o ata Rufladedruck leistet. Die Abszisse gibt
den .,d£ufladedr uck in at abs. wieder, während die zu den vollausgezogenen. Kurven
gehörigen. Ordinaten die Leistung der Turbinen in Kilowatt darstellen. Die zu der
gestrichelt ausgezogenen Kurve gehörige Ordinate gibt links unten den Wärmeinhalt
des Gemisches in kcal/m3 wieder, welcher sich selbsttätig einstellt.
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Die Kurve N gibt zunächst die zur Abgabe nach außen verfügbare Leistung
der erfindungsgemäß ausgebildeten Turbinenanlage an; diese Gesamtleistung entspricht
also der Summe der Leistungen der Verpuffungs'brennkraftturbine und der mit Abwärme
betriebenen Dampfturbine, deren Einzelleistungen durch die Kurven V und DT veranschaulicht
sind. Demgegenüber zeigt die mit D-K bezeichnete Kurve den: Leistungsanfall der
Dauerstromturbine, welche den Verdichter antreibt, wodurch Gleichheit des Leistungsanfalles
der Dauerstromturbine und des Leistungsbedarfes des Verdichters bedingt ist. Je
nach der je Verpuffungskammer und Spiel eingeführten Brennstoffmenge gibt also die
Dauerstromturbine eine ganz bestimmte Leistung ab@, welche sie voll und ganz auf
die Verdichter überträgt. Die Verdichter liefern auf diese Weise einen sich selbsttätig
einstellenden Ladedruck und füllen demnach die Verpuffungskammern mit einer entsprechenden
Luftmenge auf. Dabei gibt die mit 0 bezeichnete gestrichelte Linie den spezifischen
Wärmeinhalt des aufgeladenen Gemisches an, welcher sich auf diese Weise selbsttätig
einstellt. Der Verlauf der Kurve O zeigt unmittelbar, daß der Wärmeinhalt des Gemisches
über den gesamten aufgezeichneten Regelbereich praktisch gleichbleibt, so daß besondere
unerwünschte Regeleinrichtungen fortfallen können. Zur Leistungsänderung der gesamten
Anlage ist es einzig und allein erforderlich, die je Verpuffungskammer und Spiel
eingeführte Brennstoffmenge durch Verstellung der Brennstoffzuführung, insbesondere
der Brennstoffpumpe, zu ändern.
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Das Diagramm zeigt: weiter, wie wenig sich die Leistungen der Verpuffungsbrennkraftturbine
V oder der durch Abwärme betriebenen Dampfturbine DT an den bei konstantem
Wärmeinhalt des Gemisches erforderlichen Leistungsbedarf des Verdichters K anpassen.
Denn bei der möglichst günstig gewähltem Gefälleaufteilung zwischen Verpuffungsbrennkraftturbine
und Dauerstromturbine deckt sich der Leistungsanfall der mittels der Abwärme der
Anlage betriebenen Dampfturbine DT mit dem Verdichterleistungsbedarf K nur bei etwa
6 ata Ladedruck, während der Leistungsanfall der Verpuffungsbrennkraftturbine Ir
mit dem Verdichterleistungsbedarf K bei etwas mehr als 8 ata Ladedruck im Gleichgewicht
steht. Bei höheren Ladedrücken ist es also nicht möglich, den Leistungsbedarf des
Verdichters mit dem Leistungsanfall der Dampfturbine oder der Verpuffungsbrennkraftturbine
allein zu decken. Würde man aber beide gemeinsam zur Bestreitung des Bedarfes an
Verdichtungsleistung gemäß der Leistungskurve N heranziehen, so würde nur der Betrieb
bei Vollast wirtschaftlich sein, da sich nur bei Vollast der Leistungsanfall gemäß
Kurve N mit dem Leistungsbedarf zur Verdichtung gemäß der Kurve K deckt. Bei sinkender
Belastung tritt ein erheblicher Leistungsü'berschuß der Kurve N über die Kurve K
ein, und es würde wiederum erforderlich sein, diesen. Leistungsüberschuß durch besondere
Vorrichtungen aufzunehmen und nutzbar zu machen. Diese Schwierigkeiten fallen bei
der erfindungsgemäßen Schaltung völlig fort, da sich Leistungsanfall der Dauerstromturbine
und Leistungsbedarf für die Verdichtung nahezu vollkommen decken, soweit man die
geringfügigen Änderungen des spezifischen
Wärmeinhaltes nach Kurve
O in Kauf nimmt, was ohne weiteres zulässig erscheint.
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Der Erfindungsgedanke ist unabhängig davon, ob das Arbeitsvermögen
der im Dauerstrom verarbeiteten Verbrennungsgase in einer oder mehreren Turbinenstufen
ausgenutzt wird oder ob die Dampfturbine ein- oder inehrgehäusig ausgebildet ist,
sofern nur die Leistung der Dauerstromturbine oder der Dauerstromturbinen auf den
oder die Verdichter, die Leistung der Verpuffungsbrennkraftturbine sowie vorteilhaft
der Dampfturbine oder der Dampfturbinen auf die äußere Arbeit aufnehmende Arbeitsmaschine
bzw. auf die Arbeitsmaschinen übertragen wird.