DE807570C - Rueckdruck-Brennkraftturbine mit pulsierender Verbrennung und Zwischenexpansion - Google Patents

Description

• Rückdruck-Brennkraftturbine mit pulsierender Verbrennung und Zwischenexpansion Die bisherige Entwicklung der Verbrennungsturbinen ist auf den Erfahrungen aufgebaut, die im Bau von Dampfturbinen und Kolbenverbrennungsmaschinen gesammelt worden sind. Infolgedessen weisen die Verbrennungsturbinen auch ähnliche Bauelemente wie diese Maschinen auf, so vor allem den feststehenden Verbrennungszylinder und das beschaufelte Laufrad. Mit diesen Konstruktionselementen ist in der Arbeitsweise solcher Turbinen infolgedessen grundsätzlich festgelegt, daß Gemischaufbereitung, Gemischkompression und Gemischverbrennung außerhalb des Lautrades erfolgen und die Kraftübertragung auf das Laufrad vermittels Anströmens desselben durch die Brenngase vor sich geht. Da aber die Auswirkungen der Brenngase auf die Turbinenbeschaufelung sehr viel ungünstiger als die des Dampfes sind. hat inan sich mit Rücksicht auf die nicht ausreichend hitzebeständigen Konstruktionsmaterialien zunächst in der Hauptsache nur auf die Entwicklung von Abgasturbinen beschränken müssen. Erst nach einem sehr zähen Entwicklungsgange sind dann aus diesen die heute gebräuchlichen Gasturbinenanlagen hervorgegangen, die im wesentlichen aus Luftkompressor, ruhenden Brennkammern, Turbinenläufer und Wärmeaustauscher bestehen und kurzweg als Gasturbinen bezeichnet werden.
• Die Nutzwirkungsgrade solcher Anlagen liegen durchweg bei etwa 20% und können itn Hinblick auf die Nutzwirkungsgrade anderer @Värmekraftmaschinen nicht als befriedigend angesprochen werden. Die weitere Fortentwicklung der Gasturbitien macht aber erhebliche Schwierigkeiten, die teils allgemeiner, teils spezieller Natur sind. Die allgemeinen Schwierigkeiten sind durch die \ufbriligung der Kotnpressorleistung, um die die Nutzleistung geschmälert wird, und durch die hohen Temperaturgefälle der Brenngase bedingt, die sehr wärmefeste Konstruktionsmaterialien erfordern.
• Hierzu kommen an speziellen Scliwierigl;eiten bei den Verpuffungsturbinen die exakte Steuerung von Brentikanimereinlaß, Zündung und Brennkainnierauslal3 sowie die mit nicht unerheblichen Verlusten belastete Laufradkühlung, während sich hei den Gleichdruckverhrennungsturbinen die Einbringung der Brennladung gegen den Verbrennungsdruck und die verhältnismäßig niedrigen Standtemperaturen der Konstruktionsmaterialien recht hinderlich bemerkbar machen.
• 1)a nun die Aufbringung der Vorkompressionsleistutig als unvermeidliches Übel in Kauf genomnien zu werden scheint und die Verbesserung der \\:irmestandfestigkeit der Konstruktionsmaterialien nur ungeheuer langsame Fortschritte macht, haben sich die Konstrukteure und Erfinder in der Hauptsache damit befaßt, den Wirkungsgrad der Turb nennebenanlagen, wie z. 13. von Luftkompressor und \\'ärmeatistauscher, zu verltcssern. Für die gesallltc @tirltitietiatilage könnte es theoretisch an >ich wohl gleichgültig sein, in welchem ihrer Bestandteile (las SchNvergewicht der fitesten \\-iirnieaustititztttig liegt. Itl der Praxis ist es alter nicht gleich, oll nur hei einer einfachen stirb ne allein der fiteste Wirkungsgrad erreichbar ist oder oll es rtulier (fier Turbine noch umfangreicher Nebenanlagen dazu bedarf, im Verhältnis zu denen die eigentliche Turbine nur noch ein bescheidenes Anhätigsel darstellt, wie es beispielsweise ltei (leil bereits vorstehend geschilderten Gasturbinen oder, kesser gesagt, Gasturi» nenanlagen der Fall ist.
• \ttl1ler diesen Gasturbinenanlagen sind alter auch noch aridere Lösungen angestrebt worden. Diese miterscheiden sich von den genannten grundsätzlich dadurch, daG das Reaktionsprinzip zur Anwendung gelangt und demzufolge rotierende Brennkammern benutzt werden. Diese Lösungen konnten sich älter in der Praxis bisher nicht durchsetzen. Sie blieben virlmehr durchweg in ihren Anfängen stecken, da sie weder (las Wesen des Reaktionsprinzips richtig erfaßten noch die konstruktiven Eigenheiten einer solchen Turbine genügend berücksichtigten.
• Die in den Anlagen näher beschriebene Rückdruck-13reinikraftturbine mit pulsierender Verbrennung und Zwischenexpansion ist nun bewußt einen Weg gegangen, der sie einmal nicht wie die Gasturbinenanlagen als Kreuzung zwischen Kolbenverbrennungsmaschine und Dampfturbine erscheinen 1ä 1.)t und ihr außerdem auch unter den Reaktionsturbinen einen besonderen Vorrang einräumt. I)er Unterschied gegen beide Turbinenarten bestellt in der ilauptsache darin, daß der gesamte Arbeitsprtzel3 in den Turbinenläufer verlegt ist, pulsierende Verbrennung mit Z\\ isclienexliansion zur Anwendung gelangt und die Vorteile des Rückstoßantrieltes erfaßt werden. Hierbei liegen Gemischaufbereitung. Gemischkompression und Gemisch-

  xerbrennung innerhalb (1(#s Läufers, N\:ihrend die

  Kraftaufnahme durch das Laufrad erst nach Ab-

  senkung der Druck- und Temperaturspitze der

  Brenngase im Augenblick des Abströmens der

  Brenngase vom Läufer stattfindet.

  Die kückdruck-Brennkraftturbine bedarf somit

  zu ihrem Betriebe grtindsiitzlicli keiner derartigen

  Nebenanlagen, Nvie Kompressoren oder Wärmeaus-

  tauscher, sondern kommt ohne diese aus. Ihr Tur-

  binenläufer umfaßt in seinen, inneren Teile ein

  zweiseitig Wirkendes Gebläse. das durch eilte

  Trennscheibe in eine linke und eine rechte Gebläse-

  hälfte aufgeteilt ist und ringstur von 13retnikain-

  mern umgellen wird. Die Geltl'iscscliatifcln stehen

  radial angeordnet, und ihre V erl:ingerungen bilden

  die Trennwände der Brennkammern. lnfol;"e der

  gegenseitigen Abgrenzung der Gebläsehäliten durch

  eine Trennscheibe saugt die eine Hälfte reine

  Brennluft an, während die andere ein oberhalb der

  Zündgrenze liegende: 13rennstoffgeinisch fördert.

  Bevor Brennluft und

  in die

  Gebläsehälften gelangen. müssen sie durch Vor-

  kammern hindurch. die nach außen liiii \-etitil-

  bz-,v. Filterabschlüsse aufweisen. Durch die ent-

  stehenden Flielikraftauswirktuigen kommt es

  sowohl in den Gebläsehälften als <stich in den Brenii-

  katninern zu einer geringen Drucksteigerung. wobei

  nach Aufhören der "hrenn@cheilte eine \ ermisc?lung

  von Brennluft und I3reiitistofgeniisc?i stattfindet.

  Ist eine Brennkatniner geladen, so tritt (las min

  zündfähig gewordene Gemisch in eine 1?xl>ansions-

  kaininer, wo es geziiii(let @\ird, nach der Breini-

  kamtner zurückschlägt und eine Druckwelle aus-

  löst, die sich durch (las ganze 1.:itiferinnere fort-

  pflanzt. Dadurch \\-erden die anstriiinende 13renn-

  ltift und das nicht ziindfähige Brennstoftgeniisch

  -zurückgedrängt, wodurch die l),ildung weiteren

  zündfälligen Gemisches tillterhundell wird, till(1 die

  Einlaßventile in den Vorkaniniern zuin Schließen

  gebracht. Soweit eine "Zündung in einer der anderen

  l,rentikaniniern später erf@ilgt, erhöht sich in diesen

  die Vorkompression, so daß infolge l?rliö bong des

  thermodynamischen Wirkungsgrades automatisch

  ein Verlustausgleich eintritt.

  Damit nun durch _\uaetrutig \ an Zündungen

  kein Brentistotiverltist eintreten kann. ist es erfor-

  derlich, daß sie stets itn rechten Augenblick ein-

  setzt. Da die Breinikatninereingä nge und Brenn-

  kammerauslässe ständig offen stehen und die Lade-

  und I?xpaiisionsvorg:inge ungestetiert verlaufen

  können, erfolgt die \'ei-1trelititiiig pulsierend, (1. h.

  nach Auslösung durch eine erste Freindziindung

  voll selbst sich immer wieder rliNthiuisch auslösend

  bei kurzen Unterbrechmigeil so. Wie der Vorgang

  von der singenden Flaninie leer bekannt ist. Damit

  würde die rechtzeitige Zündung an sich wohl ge-

  geben sein. Da jedoch die pulsierende Verbrennung

  gegen Stoßbelastungen eine #@et@-isse Etnphndlich-

  keit aufweist und mitunter ab-cil.it, so da13 es zu

  unerwünschten :Missetzern kotilmcti scann, wird

  daher die Frenidziindung beibehalten. Sie besitzt

  jedoch keine feste Zündeinstellung, sondern die

  Funken schlagen an den Zündkerzen an(lauernd

  über, «-erden aber nur darin wirksam, wenn sie

  infolge von Aussetzern in urverbranntes Gemisch

  schlagen. Da die Zündkerzen in den Expansions-

  kammern angchracht sind und sich demgemäß

  ständig mit denn umlaufenden Läufer mit bewegen,

  ist eine starre Zuführung des 1-lochspannungs-

  stromes nicht möglich. Die Zuführung erfolgt viel-

  inehr über eine Vorschaltfunkstrecke, die durch

  -\Torbeigleiten der Zündkerzen in geringem Al)-

  stande vor einem ruhenden Zündring gebildet wird

  und auch einett #',clileifkoiitakt entbehrlich ntaclit.

  Die nach innen gerichtete Zwischenexpansion der

  Brenngase ist dadurch bedingt, daß die Durch-

  gangsquerschnitte der Riickdrucköffnungen in den

  Expansionskammern im Verhältnis zu den Vber-

  gangsquerschnitten vorn Gebläse zti den Brenn-

  kammern stets klein sind und daher einen bedeu-

  tend größeren Widerstand der Ausdehnung der

  Brenngase entgegensetzen. Durch die infolgedessen

  zwangsläufig eintretende Vorkompression von

  Brennluft und Bretnistoffgemisch wird daher den

  Brenngasen bereits vor Verlassen des Laufrades

  die sich sonst ungünstig auswirkende Druck- und

  Temperaturspitze genommen, wobei jedoch bei der

  Expansion nach auLien die abgezogene Energie

  wieder zurückgeliefert wird. Dadurch kommt es

  zu einer polytropen Expansion, deren Kurve wesent-

  lich .flacher als die einer normalen Expansion

  erfolgt. Die Expansionskurve kann durch ent-

  sprechende Wahl des inneren Expansionsverhält-

  nisses fast zur Gleichdrucklinie herabgedrückt wer-

  den, falls besonders hochwertige Brerinstotte es

  erforderlich machen s(Alten. Um diese inneren Vor-

  gänge näher zu veranschaulichen, sind in I# ig. i

  mehrere zeitliche Taktfolgen aufgezeichnet. 1)ie

  punktierte Linie entspricht einem Expansionsver-

  lauf ohne Zwischenexpansion. Das in Fig. ? ge-

  zeichnete Pv-Bild vermittelt die inneren Arbeits-

  vorgänge, wobei die punktierte Linie ebenfalls wie-

  der den Verlauf der Verputtung olitie Zwischen-

  expansion andeutet. Man ersieht daraus, daß die

  Verpuffungsspitze abgebrochen ist und zur Deckung

  des Aufwandes der Vorkompression im Gebläse

  und in den Vorkanitnern verwendet wird. Fällt der

  Expansionsdruck unter eine festlegbare Anfangs-

  höhe, so erfolgt l-Zücklieferung der Druckenergie,

  wodurch die Expansionslinie entsprechend gehoben

  wird.

  Was die Ausmitzung der Vorteile des Rückstoß-

  antriebes anbelangt, so sind die folgenden Vor-

  kehrungen getroffen, da die alleinige Anwendtuig

  des Rückdruckprinzips dafür nicht entscheidend

  ist. _\n die Stelle (les Raketenofens tritt hier nicht die

  Brennkarniner, sondern eine 1Jxparisionskaminer

  bzw. deren mehrere, die die Breinikanimergase auf-

  nehmen und erst ausrichten, ehe sie ins l'rete

  expandieren können. Dadurch wird eine größere

  Vollkommenheit der Verbrennungs-und @trömungs-

  vorg<inge erreicht. 1)es weiteren sind die Rück-

  drucköffnungen außen nicht nur nach der Läufer-

  mitte zu, sondern auch seitlich abgeschirmt und

  stehen senkrecht zum Brerinkaminerriicken, clei- von

  der Sohle der einett l@ückdrttcki>tinung bis zum

  Außenrand der anderen gleichmäßig ansteigend

  ausgebildet werden kann. Dadurch entsteht in

  Richtung der Laufradumdreltung gesehen für alle

  , -iul .lerliall) des Laufrades befindlichen Gasströme

  ein toter Winkel, der die Rückdruckö ffnungen im

  Bewegungsschatten hält und den entstehenden Sog

  recht wirksam werden läßt. Dieser Sog, der durch

  die Umfangsgeschwindigkeit des Läufers und die

  Temperatur der Umgebungsluft in seiner grund-

  sätzlichen Höhe bedingt ist, kann beträchtliche

  Ausmaße annehmen und daher das @xpansions-

  verhä ltnis, das durch den Druekunterscliied zwi-

  schen Expansionskammerdruck und Druck außen

  unmittelbar hinter den Rückdrucköfnungen be-

  stimmt wird. entsprechend vergrößern. so daß es

  daher nicht erforderlich ist, zur Erreichung eines

  guten Verpuffungswirkungsgrades auf eine mög-

  lichst holte, verlustbringende Vorkoinpression des

  Brennstoffgennisches auszugehen.

  Bezüglich der eingangs erwähnten Schwierig-

  keiten kattti somit zusammenfassend folgendes ge-

  sagt werden. Die allgemeinen Schwierigkeiten

  betreffend die Konipressorleistung kommen infolge

  einer nur halbstufigen Geblä severdichtung fast in

  Fortfall, während holte Temperaturspitzen durch

  Zwischenexpansion gebrochen werden. Was die

  speziellen Schwierigkeiten bei den Verl)ufftings-

  turl)inen anbelangt, so entfallen Steuerungsvor-

  gänge von llretnikammereinlaß, Bindung und

  Brenrikaninierauslaß überhaupt, wohingegen die

  Verluste durch die Läuferkühlung sehr einge-

  schränkt werden, da am Laufrade jede Beschaufe-

  lting fehlt, die sonst clen Brenngasen eine große

  Berührun@rsfläch e bietet und zu VentilationsVer-

  ltisteii führt. Derngegertüber stellt nur eine ver-

  h@iltnisnt@il.üg geringe. glatte und allseitig gut kühl-

  bare Lüuferoherfläche, die auch während der Ver-

  brennungs- bzw. Expansionstakte ungehindert für

  die Kühlung zugänglich ist. LTin auch noch auf

  die speziellen Schwierigkeiten der Gleichdruck-

  turhineii zurückzukommen, so wurde bereits lier-

  vorgehoben, daß die Verpuffungs-Expansionslinie

  reit Hilfe der Zwischenexpansion fast zur Gleich-

  druck - Expansionslinie herabgedrückt werden

  kann, so da[i die Verpuffungsturbine damit zur

  interinittierenden Gleichdruckverbrennungsturhine

  würde. Diese Arbeitsweise würde alter eine Ein-

  bringung der Frischladung gegen den Verl)ren-

  tiungs(Irucl: erübrigen und außerdem auch eine aus-

  reichende Läuferkühlung zulassen, so daß man auf

  Standtemperaturen urikühlbarer oder schlecht kühl-

  harer Läufer nicht angewiesen sein würde.

  l',ei-iiclcsiclitigt inan noch, daß man bei der Rück-

  druck - 1'rentiki-aftturl)iine mit pulsierender- Ver-

  hreiniung und Zwischenexpansion in der Lage ist,

  ohne I.etstungsl)eetntraclitigtitig Lade- und Uxl>an-

  sio istakt -zeitlich verscllieclen lang halten Zu. köttrnen.

  so dal.i auch hier noch eine \löglichkeit gegeben ist,

  durch \-erkürzung der Berührungsdauer rlcr l"i-enn-

  -ise ntit d:,n l'reinikanirnerwänden Gien Wärme-

  ül)ergttiig an das Laufrad abzuschwächen, so wird

  leicht ersichtlich, claß die Lä uferheanspruchung

  durch llitze nichr in (1c.11 Hitltergrund tritt. Es

  treten dafür mehr die reinen Flielikraftbeanspruclitirger in den Vordergrund. Der Kampf der Technik gegen die Fliehkräfte ist aber leichter zu gewinnen als der gegen die Hitzeeinwirkungen, insbesondere nachdem bereits eine ganze Anzahl in der Praxis erprobte, hochwertige Leichtbaustoffe zur Verfügung steht, die außerdem gegenüber den Schwerstählen die Vorteile hohen Wärtnereflexionsvermögen und besserer Wärmeleitfähigkeit haben, so daß es von vornherein schon zu einem geringeren Wärmestau kommt.
• Uni den praktischen Aufbau einer Rückdruckl,'rentikraftttirltine mit pulsierender Verbrennung und Zwischenexpansion zu veranschaulichen, ist in Fig. 3 ein Längsschnitt und in Fig. d ein Quers # chn*tt 1 durch eine solche Turbine gegeben. Der Betrieb geht in folgender Weise vor sich. Bringt man den Läufer i in rasche Umdrehung, so saugt Glas Gebläse 2 über das eine Hohlwellenende 3 den Brennstoff an, der gasig, vernebelt oder Staubf('irniig sein kann, und über das andere Hohlwellenende-1 die erforderliche Brennluft. Hierbei geben die \-etitilkörper 5, die ständig unter dem Druck der Ventilfedern 6 stehen, die Ventilschlitze frei, so daß Brennstoff und Brennluft getrennt voneinander durch die Vorkammern 7 bis in das Gebläse 2 dringen können, wo sie noch durch die Trennscheibe 8 auseinandergehalten «-erden. Am Rande der Gebläsetrenuscheibe treffen Brennstoff und Brennluft aufeinander und werden durch die Sclileticlerwirkung in die Brennkammern 9 getrieben. Hier werden sie durch Verteilungsnasen lo und i i in Strähnen aufgeteilt, die die Brenn kamniern gegenläufig erfüllen. Sind die Brennkammern voll, kommt die Strömung zum Stehen und setzt sich in Druck um. Die Druckbildung in den Brennkarntne rn führt zum Überfließen der nun aufbereiteten Brennladung nach den Expansionskammern 12, \\o sie durch Zündkörper 13 entflammt wird. Die Zündkörper erhalten vermittels Vorschaltfunkstrecken aus ruhenden Zündringeinsätzen 14 die erforderliche Spannung. Der durch die Entflanirtur@@ ausgelöste Druck der Brenrigasladung überträgt sich ungehindert in das Innere des Läufers, drängt hier Brennstoff und Brennluft auseinander, st t dal.l die weitere Gemischbildung unterbunden wird, und pflanzt sich auch nach den Vorkammern fort, wo infolge des entstandenen L'lterdruckes die \-entilkürl)er 5 zum Schließen kommen. Während diese; Vorganges beginnt auch die Expansion der 1 @renngase durch die Rück<lru ckcütnungen t s ; ist der innere Druckausgleich beendet, liefern Brcrnstoff und Brennluft die erhaltene Druckenergie entsprechend dein absinkenden Expansionsdruck wieder zurück.
• Ohne von den gesamten inneren Vorgängen behindert zu werden, fördern gleichzeitig die Förderschaufeln 16 an den Außenseiten des Läufers ununterbrochen Kühlluft heran. Die Form der Schaufeln ist so ausgebildet, daß die Kühlluft keinen Drall erhält, sondern den Läufer nur radial bestreicht. Kühlluft und Abgase können in bekannter Weise von einem Spiralgehäuse oder ähnlichen Gebilde aufgenommen und abgeleitet werden.

Claims (3)

1. P-,TENTAN SPRC CHE: 1. Rückdruck-Brennkraftturbine, dadurch gekennzeichnet, daß alle für den Ablauf des Arbeitsprozesses erforderlichen konstruktiven Elemente (Rückschlaghlter bzw. Rückschlagvetitile, Vorkammern, zweiseitig wirkendes Gebläse mit Trennscheibe, Brennkammern, Expansionskammern, Zündkörper und Kühlluftförderung) zu einem einzigen Bauteil, dem Turbinenläufer, vereinigt sind.
2. 2. Rückdruck-Brennkraftturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammern urgesteuerte, ventillose .Eir-und Auslässe haben und tnit den Expansiotlskammern, dein Gebläseratim und den Vorkammern ständig in offener Verbindung stehen.
3. 3. Verfahren zum Betrieb einer Rückdruck-Brennkraftturbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekentizeiclinet, daß bei dem sich vollziehenden inneren Druckausgleich die Energiespitze der Verpuffung von dein Brennstoff bzw. Brennstoffträger mid (lein von ihnen getrennt gehaltenen Sauerstoff bzw. Sauerstoffträger als Druckenergie aufgenommen und bei dem äußeren Expansionsvorgang wieder an die Brenngase zurückgegeiten wird. 4. lZückdruck-Brennkraftturbine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet. daß zur Erhöhung des Druckgefälles die lZückdrucköffnungen abgeschirmt und im Bewegungsschatten im Bereich eines Soges angeordnet sind. rltigezogetie Druckschriften: Deutsche Patentschriften \r. 5; t 251t, 528 Sao. 6.f.4 529.