DE1278794B - Verpuffungsgasturbinenanlage - Google Patents

Verpuffungsgasturbinenanlage

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DE1278794B
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compressor
pressure
turbine
flow
fuel
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DEB64489A
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Rudolph Birmann
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C5/00Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion
    • F02C5/12Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion the combustion chambers having inlet or outlet valves, e.g. Holzwarth gas-turbine plants

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • Verpuffungsgasturbinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine Verpuffungsgasturbinenanlage mit einem Diagonalverdichter, einer von dem Verdichter gespeisten Brennkammer, einer Vorrichtung zum intermittierenden Einspritzen feinzerstäubten Brennstoffs und mit einer Vorrichtung zum Zünden des durch die Brennstoffeinspritzung erhaltenen explosiven Gemisches, wobei die Verbrennungsgase über Düsen zu einer Turbine gelangen, welche den Verdichter antreibt.
  • Bei einer bekannten mit einer Abgasturbine und einem Aufladeverdichter verbundenen Zweitaktbrennkraftmaschinenanlage ist der Aufladeverdichter als Diagonal-Schleuderverdichter ausgebildet, dessen Läuferschaufeln rückwärts gekrümmt sind, um die Spül- und Aufladeluftmengen für die Brennkraftmaschine richtig zu bemessen.
  • Es sind auch Läufer für Diagonal-Schleuderverdichter bekannt, bei denen rückwärts gekrümmte Schaufeln für den Zweck vorgesehen sind, die absolute Austrittsgeschwindigkeit des Fördermechanismus herabzusetzen, um zu verhindern, daß die absolute Austrittsgeschwindigkeit trotz hoher Umfangsgeschwindigkeit des Läufers am Austritt lokale Schallgeschwindigkeit erreicht, um die Entstehung der den Wirkungsgrad verschlechternden Machschen Druckwellen zu verhindern.
  • Es ist auch bei Verpuffungsturbinen bekannt, einerseits zum Erreichen einer innigen Mischung Luft und Brennstoff gleichzeitig einzuführen und andererseits die Zündeinrichtung so zu steuern, daß die Zündung des Gemisches erst nach vollständiger Füllung der Brennkammer mit Gemisch erfolgt.
  • Es ist schließlich auch eine Brennkraftanlage mit pulsierend arbeitenden Brennkammern bekannt, bei welcher der der Brennkammer vorgeschaltete Verdichter so ausgebildet ist, daß er als Rückströmdrossel wirkt. Da gegenüber einer Verpuffungsbrennkraftanlage bei einer mit pulsierender Verbrennung arbeitender Brennkraftanlage die Drücke vergleichsweise niedrig sind, sind die Anforderungen an den Verdichter, der mit rückwärts gekrümmten Schaufeln versehen ist, zur Verhinderung einer Rückströmung gering. Bei diesem bekannten Verdichter, der als Gasturbinenverdichter sehr hohe Schaufelspitzengeschwindigkeiten hat, ist eine vollständig radiale Ausbildung aller Schaufelelemente erforderlich. Aus geometrischen Gründen ergibt sich für die Verkleinerung des Austrittswinkels eine untere Grenze von etwa 45°. Ein solcher Verdichter ist jedoch nicht in der Lage, bei einer mit Gleichraumverbrennung arbeitenden Verpuffungsgasturbinenanlage als Rückströmdrossel zu wirken. Die Erfindung geht von einer Verpuffungsgasturbinenanlage der einleitend genannten Art aus, die gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Läufer des Diagonalverdichters in an sich bekannter Weise aus einem kegelstumpfförmigen Grundkörper besteht, auf dessen Mantelfläche Schaufeln angeordnet sind, die von der Eintrittsseite zu der einen größeren Durchmesser aufweisenden Austrittsseite etwa schraubenlinig und nach rückwärts gekrümmt derart verlaufen, daß zwischen den Schaufeln verhältnismäßig lange Strömungskanäle gebildet werden, deren engster Querschnitt sich nahe dem Verdichteraustritt befindet, daß der Schaufelaustrittswinkel ß2 zwischen 10 und 25° liegt, daß die Brennstoffeinspritzvorrichtung ungefähr während derjenigen Zeit Brennstoff einspritzt, welche der Luftstrom benötigt, um von dem Verdichteraustritt durch die Brennkammer hindurch zu den Düsen zu gelangen, und daß die Zündvorrichtung das Brennstoff-Luft-Gemisch ungefähr am Ende der Einspritzperiode zündet.
  • Durch die Erfindung ist eine Verpuffungsgasturbinenanlage mit Gleichraumverbrennung geschaffen, ' die einen erheblich besseren Wirkungsgrad hat, wobei gleichzeitig eine vergleichsweise einfache Ausführung erreicht ist. Außerdem wird durch die besondere Ausbildung der Schaufeln des Verdichters erreicht, daß er auch bei den bei Gleichraumverbrennung auftretenden hohen Drücken als sichere Rückströmdrossel wirkt.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer die Form eines ringförmigen Diffusors hat in den bei seinem minimalen Durchmesser die vom Verdichter kommende Luft zusammen mit dem Brennstoff eintritt und der die Verbrennungsgase bei seinem maximalen Durchmesser zu den Düsen abgibt.
  • Die Einspritzvorrichtung ist vorzugsweise derart gesteuert, däß sie während weniger als der Hälfte -des Zeitraumes zwischen aufeinanderfolgenden Einspritzungen Brennstoff einspritzt,. wodurch beträchtliche Zeitperioden für eine Strömung von Kühlluft geschaffen sind.
  • Das Diagonalverdichterrad weist gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung S-förmig gekrümmte Schaufeln auf, die in an sich bekannter Weise für axialen Strömungsaustritt ausgelegt sind.
  • Gemäß einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine dem Diagonalverdichterrad unmittelbar . vorgeschaltete Verdichterstufe vorgesehen, die ein Zentrifugal- (oder Diagonal-) Laufrad mit S-förmig, am Austritt rückwärts gekrümmten Schaufeln aufweist, so daß die Kennlinie, welche den Druckanstieg in Abhängigkeit des Durchsatzes wiedergibt, über einen weiten Bereich abnehmenden Durchsatzes stetig ansteigt.
  • Schließlich können gemäß der Erfindung Mittel vorgesehen sein, um die Frequenz der Einspritzung zu ändern, ohne die Dauer. der Einspritzung zu ändern.
  • Die Erfindung-. wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert.
  • F i g. 1 ist ein Temperatur-Entropie-Diagramm; F i g. 2 ist ein Drück-Volumen-Diagramm; F i g. 3 ist ein Längsschnitt durch eine einstufige Verpuffungsgasturbine gemäß der Erfindung; F i g. 4 ist ein Diagramm, das die Beschauflungen von Verdichter und Turbinenlaufrad von F i g. 3 genauer darstellt; F i g. 5 ist der Seitenriß von F i g. 6, der das Verdichterrad, das gleichzeitig eine Ventilwirkung ausübt, zeigt; F i g. 7 ist eine graphische Darstellung, welche das Druckverhältnis, aufgetragen über dem Massenfluß (in. Prozent), für. Verdichter und Turbinenrad von F i g. 3 darstellt; .
  • F i g. 8 ist ein Diagramm des Brennkammerdruckes und des Massenflusses in Prozent aufgetragen über der Zeit von Verdichter und Turbinenrad der F i g. 3; F i g. 9 ist ein Diagramm, bestehend aus den Kurven der momentanen Leistung in Funktion der Zeit; die momentane Leistung rührt von der Turbine her und wird durch den Verdichter absorbiert; F i g. 10 ist ein_X,.ängssehnitt durch eine mehrstufige Verpuffungsgasturbine; F, i g. 11 zeigt die -Abwicklung von Verdichter und TurbinenbeschaufTung von F i g. 10.
  • Da die Flächen. 1, 2, 3', 4 und 1, 2, 3'.', 4 proportional zum Anteil des Brennstoffes sind, dessen chemische Energie - in - mechanische Arbeit verwandelt wurde, ist ersichtlicji-,'daß die Leistung, die durch.die Gleichraumverbrennung erreicht wird, viel größer ist als die Leistung bei Gleichdruckverbrennung. Dabei wird gleichzeitig bei Gleichraumverbrennung ein bedeutend höherer thermischer Wirkungsgrad mit entsprechend geringerem spezifischem Brennstoffverbrauch als bei Gleichdruckverbrennung erhalten.
  • F i g. 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Gastnrbinenanlage mit einstufiger Verdichtung.
  • Der schnellaufende Rotor 1 ist in den Lagern 2 und 3 abgestützt und besteht aus Diagonalverdichter 4 und Turbinenrad 5. Die abgegebene Leistung wird durch das Wellenende 6 auf ein konventionelles (Planeten-) Reduktionsgetriebe? übertragen, die hohe Drehzahl des Rotors kann also beliebig reduziert und die Leistung am Wellenende 8 entnommen werden.
  • Das Diagonalverdichterrad 4 saugt die Luft durch den sich radial nach innen erstreckenden Kanal 9 und fördert sie axial in die ringförmige Brennkammer 10; diese besitzt eine kleine axiale Ausdehnung, erweitert sich aber radial ungefähr auf den doppelten Durchmesser des Außendurchmessers von dem Verdichterrad und arbeitet so als schaufelloser Diffusor. An der äußeren Peripherie dieser Kombination schaufelloser Raum-Brennkammer strömt die Luft zur Turbinendüse 11. In. dieser Düse wird die Strömung teilweise entspannt und tangential in den sich nach innen ausdehnenden Raum 12 gelenkt. Hier findet eine weitere Expansion und Beschleunigung statt. Die Strömung gelangt nun in den rotierenden Raum 13 der Turbine 5, wo sich die endgültige Expansion vollzieht. Nach der Turbinenbeschauflung gelangt die Strömung in einen sich radial nach außen ausdehnenden unbeschaufelten Austrittsdiffusor 14. Der Rest -der kinetischen Energie- wird hier in Druck umgewandelt und die Strömung zur Öffnung 15 geleitet.
  • Das Innere der Brennkammex ist durch einen Keramiküberzug 16 geschützt, er verhindert gleichzeitig eine Wärmeabgabe an die Umgebung.
  • Durch Einspritzdüsen 17 wird rund um das Verdichterrad 4 in sehr kurzen Perioden intermittierend unter hohem Druck Brennstoff eingespritzt, der als ganz feiner Nebel in die Brennkammer geblasen wird. Auf diese Art wird eine vollständige Vermischung des Brennstoffnebels mit der Luft zu. einem explosiven Gemisch erreicht.
  • Sobald die nötige Zeit verstrichen ist, um die Brennkammer mit einer .explosiven Luft-Brennstoff-Mischung ganz zu füllen, erfolgt die Zündung durch mehrere Zündkerzen 18, die am günstigsten Punkt angeordnet sind, um die Explosion auszulösen. Dies wird erreicht durch die spezielle Konstruktion und der damit verbundenen Arbeitscharakteristik. Die Verbrennung ist momentan (Explosion), da alle Bedingungen für eine solch rasche Verbrennung erfüllt sind; das Luft-Brennstoff-Verhältnis liegt innerhalb der richtigen Grenzen, der Brennstoff hatte genügend Zeit, um komplett zu vernebeln und sich ganz mit der Luft zu vermischen; es existieren also ideale Bedingungen für die nötige Mikro- und Makroturbulenz. Die Mikroturbulenz rührt hauptsächlich von den Endwirbeln der Verdichterschaufeln her. Die Makroturbulenz rührt von der- Rotation der freien Wirbelströmung her, sie ist vorherrschend in der Kombination von Brennkammer und schaufellosem Dif£usor.
  • Die Einspritzdüsen 17 werden durch eine einzige Einspritzpumpe 20 über die gemeinsame Zuführung 19 mit Hochdruckbrennstoff versehen. Die Bewegung des Nockens 21 und Feder 22 bringt den Pumpenkolben 23 in der Zylinderbohrung 24 zum Oszillieren. Wenn die Einlaßöffnung 25 vom Kolben freigegeben wird, so strömt Brennstoff durch die Zylinderbohrung ein und wird gezwungen, während der Aufwärtsbewegung durch das Kontrollventil 26 zu den Einspritzdüsen 17 zu fließen.
  • Die Dauer der Einspritzperiode wird durch die Tourenzahl und die Form des Nockens 21 bestimmt. Die Frequenz der Einspritzungen ist gleich der Tourenzahl des Nockens, welcher vom Rotor über ein stufenlos verstellbares Reduktionsgetriebe 27 von bekannter Art angetrieben wird.
  • Das Reduktionsverhältnis von Getriebe 27 wird geändert durch den Hebel 28. Um die Last zu reduzieren, wird die Frequenz der Brennstoffeinspritzung verringert, indem man das Untersetzungsverhältnis vergrößert, währenddessen die Dauer der Brennstoffeinspritzung konstant gehalten wird bei konstanter Tourenzahl, indem man einen Nocken in Eingriff bringt von entsprechend abgeänderter Form, dessen Flanke steiler ansteigt. Dies wird dadurch erreicht, daß der Nocken 21 gegen die Feder 28 axial verschoben wird, wobei dies durch den Hebel 29 geschieht, der mit dem Hebel 30 verbunden ist, welcher das Untersetzungsgetriebe steuert.
  • Wenn die Dauer so gewählt wird, daß sie gleich der Zeit ist, die verstreicht, bis ein Luftpartikel den Weg von Brennkammerein- und -austritt zurückgelegt hat, so ist die Brennkammer gerade mit einem explosiven Luft-Brennstoff-Gemisch - wie beschrieben - gefüllt, und die Zündung kann erfolgen. Die Frequenz, welche durch das Reduktionsverhältnis von Getriebe 27 festgelegt ist, wird nach verschiedenen Gesichtspunkten gewählt. Die Diskussion darüber folgt später. Einer weiteren detaillierten Beschreibung des Brennstoffeinspritzsystems (nicht Gegenstand der Erfindung) begegnet man in der Tatsache, daß Dauer und Frequenz der Einspritzperiode, wie auch alle anderen Brenstoffeinspritzcharakteristiken (Brennstoffdruck, Zerstäubung usw.), innerhalb der im Handel erhältlichen Einspritzausrüstungen gut liegen, welche für Kraftmaschinen mit intermittierender Verbrennung entwickelt wurden. Sie werden im Zündungssystem angewendet, und ihre weitere Beschreibung ist überflüssig. Der Zeitpunkt der Zündung kann auf verschiedene Arten festgelegt werden; so kann z. B. die Zündung durch einen Nokken an der Brennstoffpumpenwelle ausgelöst werden.
  • Bevor weiter in Details der sich periodisch abspielenden Verbrennung und ihrer verschiedenen Erscheinungen gegangen wird, muß einer der wichtigsten Aspekte der Erfindung klargestellt werden: Die Erklärung, wie die Strömung daran gehindert wird, durch das Verdichterrad zurückzuströmen infolge des plötzlichen Druckanstieges, hervorgerufen durch die Verbrennung.
  • Der Verbrennungsenddruck ist ungefähr fünfmal so groß wie der normale Brennkammerladedruck, und kein konventionelles Verdichterrad könnte diesen hohen Druck aufbringen. Wenn aber die Verdichterradbeschaufelung in übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert wird, so wird ein Rückschlagen während der Explosion durch den Verdichterschaufelkanal in den Einlaß verhütet, und das Verdichterrad arbeitet wie ein Rückschlagventil, das nur Strömung in einer Richtung gestattet. Diese Ventilfunktion wird durch die neue Anordnung der Verdichterradbeschaufelung erreicht. Sie ist in F i g. 5 und 6 und als Abwicklung auf der linken Seite von F i g. 4 dargestellt. Bei diesen Figuren ist zu beachten, daß der Verdichterradschaufelaustrittswinkel ß2 außerordentlich klein ist, ungefähr 10 bis 25° oder 15° im Mittel (verglichen mit den üblichen 90° bei konventionellen, raschlaufenden Zentrifugalverdichtern). Der Eintrittswinkel ß1, bestimmt durch die üblichen Betrachtungen über stoßfreien Eintritt der Luft, ist im allgemeinen wesentlich größer: Nämlich in der Größenordnung von 30°.
  • Die Umfangsgeschwindigkeit u2 am Austritt ist hoch, ungefähr 410 m/Sek., dies ergibt eine Mach-Zahl von 1,1 bis 1,2 (bezogen auf die Eintrittstemperatur). Die Umfangsgeschwindigkeit ui am Eintritt wird so klein wie möglich gemacht, sie wird begrenzt von der durch die Ringfläche strömenden Masse. Die Ringfläche wird möglichst nahe zum Rotationszentrum gebracht.
  • Infolge der mechanischen Spannungen, welche in Schaufeln von raschlaufenden Verdichterrädern entstehen, ist es erforderlich, daß die Schaufeln durchwegs rein radial stehen. Solche rein radial stehende Schaufeln mit gleichzeitig kleinen Austrittswinkeln können nicht anders erreicht werden als durch eine S-förmige, meridionale Strömung durch das Verdichterrad oder, in anderen Worten, durch Anwendung eines axialen Eintritts und eines axialen Austritts aus dem Verdichterrad, wie es in Verbindung mit F i g. 3 beschrieben wurde. Ein anderes wichtiges Merkmal der Ventilfunktion der Verdichterradbeschaufelung ist die Orthogonalität der Flächen zwischen zwei benachbarten Schaufeln vom Eintritt bis zum Austritt. Diese Strömungsfläche muß kontinuierlich gegen den Austritt zunehmen und ein Minimum erreichen.
  • Ein Weg, um sich ein fertiges Bild von den oben beschriebenen Schaufeln zu machen, und ein Weg, um sie günstig herzustellen, besteht darin, daß man sie als eine spezielle Form eines Schraubgewindes (so viele Gänge wie Schaufeln) auffaßt und die Schaufelkanäle als die Windungsfurchen (s. F i g. 6). Wenn diese mehreren Gänge durch eine konstante Steigung gegeben sind, verhält sich die Tangente des Schnekkenlinienwinkels umgekehrt proportional zum Durchmesser: z. B. von 15° des großen Austrittsdurchmessers zu 30° beim kleinen Eintrittsdurchmesser. Die Durchtrittsfläche ist direkt proportional zur radialen Tiefe der Windungsfurchen, die ein Minimum bei maximalem Durchmesser ist. Während sich die Durchtrittsflächen dieser Schraubenwindungen über eine beträchtliche Winkeldistanz um das Verdichterrad winden, ist leicht zu sehen, daß daraus eine Vikositätspumpe (archimedische Schraubenpumpe) resultiert, welche die zentrifugale Förderung erhöht gemäß dem zunehmenden Radius vom Eintritt bis Austritt.
  • Es ist bekannt, daß, je kleiner der Laufrad-Austrittswinkel ist, desto höher und flacher die Kurve des Kompressorwirkungsgrades aufgetragen über der Strömungsgeschwindigkeit und um so breiter der stabile Bereich der Kompressorfunktion sind.
  • Diesen Vorteilen steht entgegen der Nachteil einer solch großen Reduktion der Druckerzeugung, daß viel kleinere Austrittswinkel als 60° gewöhnlich nicht angewendet werden, selbst nicht bei Niederdruckkompressoren und -gebläsen. Dies ist verständlich, da die Aufgabe eines gewöhnlichen zentrifugalen Kompressors darin besteht, so hoch wie möglich zu komprimieren. Im Falle, wo das Zentrifugalverdichterrad die Gleichraumbrennkammer der Erfindung speist, stellt sich eine ganz neue Situation ein. Dieses Verdichterrad hat nicht einen hohen Druck zu produzieren, denn ein hoher Prozeßdruck wird durch die Gleichraumverbrennung erreicht. Das Verdichterrad kann also Luft bei sehr niederem Druck liefern,, und zwar solange wie es fähig ist, den Explosionsdruck auszuhalten.
  • Das wie ein Ventil wirkende Verdichterlaufrad mit seinen sehr kleinen Austrittswinkeln, wie es beschrieben wurde, hat eine lineare Charakteristik, wie aus F i g. 7, Kurve A ersichtlich, wo das Druckverhältnis über dem Massenfluß aufgetragen ist. Diese Kurve ist stetig und steil von einem kleinen Wert des Druckverhältnisses bei 100 % Massenfluß zu einem hohen Druckverhältnis bei kleinem Massenfluß steigend, wobei sich die Stabilität über einen weiten Bereich erstreckt. Das Verdichterrad fördert die Luft direkt in die Brennkammer, dazwischen befinden sich keine Diffusorschaufeln. Die ganze Diffusion der kinetischen Energie der Luft wird durch den schaufellosen Diffusor der Brennkammer vollzogen. Durch Ausschalten dieses beschaufelten Diffusors und durch Umformung in Druck und anderweitige Ausnutzung der kinetischen Energie am Verdichterradaustritt in die Kombination Brennkammer-unbeschaufelter Diffusor wird es möglich, den vorerwähnten weiten Anwendungsbereich zu erreichen. Diffusorschaufeln, speziell ihre Winkel und Flächen, können nur für einen bestimmten Strömungszustand konstruiert werden, sie arbeiten bei Abweichungen von ihrem Auslegungspunkt sehr unwirksam.
  • Da das Verdichterrad direkt in die Brennkammer mündet, ist es nicht der totale, sondern der statische Druck am Verdichterradaustritt, der zählt. Dieser statische Druck darf nicht kleiner als der maximale Explosionsdruck sein, wenn ein Rückschlagen durch die Verdichterkanäle vermieden werden soll. Die statischen Drücke für stationäre Strömung, wie sie durch Kurve B gegeben sind, sind viel zu niedrig, um den Explosionen zu widerstehen. Für diesen Zweck sind weit höhere Drücke nötig, nämlich solche, wie sie durch die vertikal schraffierte FlächeC gezeigt werden. Es ist offensichtlich, daß stationäre Strömung und statischer Austrittsdruck von der Größe, wie er durch C gezeigt wird, weit jenseits der Kapazität des schnellstlaufenden Zentrifugalverdichters liegt, und doch, die Ventilfunktion des Verdichterrades ,kann den hohen Druck halten, allerdings nur während eines kurzen Momentes, aber doch lange genug, um den sehr rasch steigenden und wieder abfällenden Explosionsdruck zu bewältigen. Wie dies geschieht, wird nun unter Bezugnahme auf das Geschwindigkeitsvektordiagramm F i g. 4 erklärt. Dieses Vektordiagramm zeigt die relative Geschwindigkeit w, die absolute Geschwindigkeit c und die konstante Umfangsgeschwindigkeit u für 100 % Massenfluß als ausgezogene Linie (Index 1 = Eintritt, Index 2 = Austritt) und als gestrichelte Linie die entsprechenden Komponenten w', c' und u' für ungefähr 20 % Massenfluß. Die Strömungsflächen der Kanäle zwischen den Verdichterradschaufeln sind geeignet dimensioniert und allmählich vom Eintritt auf ein Minimum am Austritt ansteigend. Die Strömung wird in der Nähe des Schaufelaustritts gut geführt, dadurch erreicht die relative Geschwindigkeit w" nahezu Schallgeschwindigkeit für 100 Klo Massenflüß, die absolute Geschwindigkeit c2 wird sehr klein. Wird der Massenfluß auf 20 % reduziert, so nimmt w2 infolge der Ausdehnung und des Dichteeffekts ab, die absolute Austrittsgeschwindigkeit c2 wächst an, und ihr Winkel ändert sich von a2 auf 0C2'. Eine nicht so große Änderung bezüglich Geschwindigkeit und Strömungsrichtung spielt sich am Eintritt ab, die relative Eintrittsgeschwindigkeit wächst nur schwach von w1 auf w1 an, und ihr Winkel nimmt von ß1 auf ßi ab.
  • Obige außerordentlich große Änderung der relativen und der absoluten Austrittsgeschwindigkeit, die aus einer .Änderung des Massenflusses resultiert, führt auf ein Phänomen, das bis jetzt weder entdeckt noch angewendet wurde und für die Erfindung eine entscheidende Bedeutung hat.
  • Wächst der statische Druck (welcher auch Druck in der Brennkammer ist) an, so wächst auch der Massenfluß in übereinstimmung mit Kurve B in F i g. 7 an, bis der statische Druck eine Spitze von erreicht hat; dabei sind ui und u2 die Umfangsgeschwindigkeiten der Schaufeln am Verdichterradeintritt und -austritt und g die Erdbeschleunigung.
  • Wenn dieser -Gegendruck (Rückschlagdruck) erreicht ist, so stoppt die Strömung durch das Verdichterrad; wird der Gegendruck überschritten, so wechselt die Strömung ihre Richtung und fließt vom Eintritt zum Austritt. Dies trifft nur für den üblichen Fall zu, wo die Änderung des Gegendrucks sich langsam und allmählich vollzieht. Vollzieht sich die Änderung rasch, also in einem sehr kurzen Zeitintervall, so muß die relative Geschwindigkeit w2 rasch verzögert und die absolute Geschwindigkeit c2 beschleunigt werden. Dies bewirkt Trägheitskräfte und daraus resultierende Druckdifferenzen. Während des kleinen Zeitintervalls A t wird der Spitzengegendruck Hierin ist G die Luftmasse, Q die Dichte, welche momentan im Verdichterradkanal herrscht, besonders in dessen Austrittspartie. Der erste Term in der obigen Gleichung ist der stationäre Strömungsspitzengegendruck, der zweite Term (Integral) ist der dynamische Zuwachs, dessen Größe von der Anordnung der Verdichterradbeschaufelung und besonders vom Schaufelaustrittswinkel ß2 abhängt.
  • Ist ß2 90° (radialer Austritt aus dem Verdichterrad), so wird der zweite Term Null, für Vorwärtsströmung (ß2 größer als 90°) wird er negativ, für Rückwärtsströmung positiv. Er wächst rasch für abnehmende Winkel ß2 zu einer Größe an, daß für sehr kleine Winkel, wie sie während der Ventilfunktion auftreten, der momentane Druck dreimal so groß wie der stationäre Strömungsdruck werden kann. Dies allerdings nur während des kleinen Zeitintervalls A t. Dieser Vorbehalt wird durch den Explosionsdruck -er wird später noch in weiteren Details erörtert werden -, welcher nur einen kurzen Augenblick herrscht, völlig befriedigt. Für kleine Einheiten liegt dieses Zeitintervall in der _ Größenordnung von 1/wo Sekunden, G ist dabei in der obigen Gleichung auch relativ klein. In größeren Einheiten ist die Dauer des Explosionsdruckes länger, gleichzeitig ist aber auch die Luftmasse G, welche den Trägheitskräften unterworfen ist, größer, so daß für verschiedene Größen die Ventilfunktion durch geometrisch ähnliche Verdichterräder erreicht wird. Wie leicht einzusehen ist, kann G vergrößert werden, und zwar zum Zwecke der Vergrößerung der Ventilfunktion, indem man die axiale Ausdehnung des Austrittsteils der S-förmigen, meridionalen Strömung vergrößert. Der Funktionswert von F steigt bei negativem Verhältnis bei Veränderungen von w2 und positivem Verhältnis bei Veränderung von c2 rasch an.
  • Die Größe der Ventilfunktion des Verdichterrades in übereinstimmung mit den diskutierten Variablen hängt von der Spitzengeschwindigkeit u2 des Verdichterrades ab, diese wird in allen praktischen Anwendungen bis auf 300 m/Sek. getrieben. Die vorhergehend beschriebene Ventilfunktionskapazität des Verdichterrades wird für einige Größen durch die vertikal schraffierte Fläche C in F i g. 7 dargestellt. Diese Fläche zeigt den statischen Gültigkeitsbereich des Verdichterradaustrittsdruckes (einschließlich den Gegendruck), welcher während der Explosion herrscht (der exakte Wert ist zeitabhängig), aufgetragen über dem Massenfluß in Prozent, wenn dabei unmittelbar vor der Explosion der Massenfluß 100% betrug. Bevor die Wirkung der Explosionsdruckwellen und Ventilfunktionscharakteristiken des Verdichterrades weiter beschrieben werden, sollen einige aerodynamische Aspekte der Turbine klargestellt werden. Die die Strömung betreffenden Charakteristiken von Turbinen, die bei konstanter Drehzahl arbeiten, sind dieselben wie diejenigen einer Strömung, die aus einer Düse tritt (sogenannte äquivalente Düse), dabei müssen Anfangsdruck und Temperatur sowie Enddruck dieselben sein. Für jede gegebene Anfangstemperatur können die die Strömung darstellenden Charakteristiken einer solchen Düse oder Turbine am besten durch eine Druckverhältniskurve durch die Turbine, aufgetragen über dem Massenfluß, gezeigt werden (s. Kurve D in F i g. 7). Diese Kurve richtet sich nach der minimalen Temperatur vor der Turbine, die unter »kalten« Arbeitsbedingungen herrscht, d. h., wenn sich keine Wärme in der Brennkammer entwickelt. Die ähnliche Kurve E richtet sich nach dem Maximum der Temperatur vor der Turbine. Beide Kurven gehören zur Turbine, welche die Ventilfunktion des Verdichterrades und die Druckverhältnis-Durchsatz-Charakteristiken bestimmt, die durch die Kurven A, B und den Bereich C gezeigt werden. Es ist zu beachten, daß während des »kalten« Zustands die Turbinenkennlinie D die stationäre Kennlinie des Verdichterrades im Punkt P schneidet. Hier ist der Massenfluß für beide Verdichterräder 100 %, wobei das Druckverhältnis sehr klein ist. Wenn gemäß der Explosion Druck und Temperatur in der Brennkammer momentan angestiegen sind, so ist der Anteil der ausströmenden Masse durch Kurve E gegeben, und der momentane Anteil der einströmenden Masse liegt im Gebiet C. Daraus ist ersichtlich, daß während des Höhepunktes der Explosion, wobei der Druck in der Kombination Brennkammer-Diffusor ungefähr fünfmal so groß ist wie der Druck bei 100 % Masseniluß, der Massenfluß in die Brennkammer stoppt und die Menge der Masse durch die Turbine ansteigt, auf mehr als das Doppelte der 100 % angesaugten Luft. Sobald der Explosionsdruck sinkt, welcher Hand in Hand mit der adiabatischen Abnahme der Temperatur vor der Turbine geht, so verkleinert sich die Ausströmung aus der Brennkammer, da der Druck genug nieder ist; Luft beginnt wieder bis zum Gleichgewichtspunkt P einzuströmen, wo die einströmende Menge gleich der ausströmenden Menge ist.
  • Durch die große Änderung von Druck und Temperatur vor der Turbine, die durch die Explosion verursacht wird, ergeben sich nicht nur die obigen großen Änderungen des Massenflusses durch die Turbine, sondern auch eine beträchtliche Änderung der Strömungsgeschwindigkeit. In der Tat ist der Bereich der Änderung der Geschwindigkeit so groß, daß der Wirkungsgrad einer konventionellen Turbine über einen großen Teil dieses Bereiches reduziert und der thermodynamische Vorteil des Explosionsprozesses dadurch gefährdet wird. Aus diesen und anderen Gründen ist es vorteilhaft, eine Turbine mit einem weiten günstigenEintrittswinkelbereich zuverwenden.
  • Eine derartige zentripetale Turbine ist durch eine ungewöhnlich kleine Zahl von Schaufeln charakterisiert. Die Profile sind sehr dick und haben knollige Schaufeleintrittsränder. Sie bewirken eine kontrollierte Beschleunigung der Strömung in den Schaufelkanälen. Der rechte Teil von F i g. 4 zeigt einen Ausschnitt der Turbinenbeschaufelung längs der Linie S-S in F i g. 3. Die Leitschaufeln 11 in F i g. 3, die auch dicke, schwere Profile haben, bestimmen die Düsenkanäle, welche die Strömung tangential in den sich nach innen ausdehnenden unbeschaufelten beschleunigenden Ringraum 12 lenken. Von hier aus tritt die Strömung in den Kanal der oben beschriebenen Zentripetalturbinenbeschaufelung 13. Für Eintritt (Index = 1) und Austritt (Index = 2) dieser Turbinenbeschaufelung werden Geschwindigkeitsvektordiagramme gezeigt. Die Eintritts- und Austrittsdreiecke (gestrichelt gezeichnet) zeigen die absolute Geschwindigkeit c, die relative Geschwindigkeit w und die konstante Umfangsgeschwindigkeit u für die maximale Strömungstemperatur und das maximale Druckverhältnis. Die ausgezogenen Dreiecke geben dieselben Geschwindigkeitskomponente (c', w', u'), wie sie im »kalten« Zustand der Turbine bei 100 0/0 Massenfluß, geliefert durch die Ventilfunktion des Verdichterrades bei kleinem Druckverhältnis, auftreten.
  • Soweit es den Turbinenwirkungsgrad betrifft, ist eine der bezeichnendsten Änderungen zwischen den obigen zwei Arbeitsbedingungen die große Differenz zwischen den Richtungen ,Bi und ,ß2 der Strömungen am Eintritt in die Turbinenbeschaufelung. Der Gebrauch einer konventionellen Turbinenbeschaufelung würde eine wesentliche Verschlechterung des Turbinenwirkungsgrades herbeiführen, und zwar um so mehr, als die Abweichungen des Winkels der relativen Strömung von ihrem Auslegungspunkt betragen. Es tritt bei der verbesserten Beschaufelung kein solch drastischer Abfall des Turbinenwirkungsgrades auf, da die Schaufelprofile knollige Eintrittsprofile aufweisen und daher die Strömung in ihrer Nähe beschleunigen.
  • Der Gebrauch der verbesserten Turbine in Verbindung mit dem Verbrennungsprozeß, übereinstimmend mit der vorliegenden Erfindung, ist sehr wünschenswert vom Standpunkt ihres weiten Bereichs großer Leistungsfähigkeit; er ist an hohe Spitzentemperaturen und an hohe Temperaturschwankungen gebunden. An Stelle einer großen Anzahl von dünnen, zerbrechlichen, engen Schaufeln einer konventionellen Turbine hat die neue Turbine nur wenige, schwere und extrem rauhe Schaufeln. Sie haben kleinere Oberflächen, welche die Wärmeabsorption der Gase auf ein Minimum beschränken. Die verbesserten Schaufelprofile sind sehr dick und ohne den üblichen schlanken Ein- und Austrittsteil, der leicht überhitzt und lokal verzundert werden kann. Alle diese Ergebnisse bezüglich der Beschaufelung haben mit Rücksicht auf die Erhitzung durch die sukzessive heiße Gebläseluft während der Explosion einen weiten Trägheitseffekt. Jedem solchen Heißluftstrom folgt ein viel längerer, beständiger Kaltluftstrom. Der hohe Hitzeträgheitseffekt, der die verbesserte Turbinenbeschaufelung charakterisiert, bewirkt, daß die Temperatur in der Beschaufelung innerhalb sicherer Grenzen gehalten wird, trotz der Tatsache, daß die momentane, maximale Temperatur der Gase die Schmelztemperatur des Schaufelmaterials überschreiten kann.
  • Zu den Verlusten in den rotierenden Schaufelkanälen ist eine weitere Quelle großer Verluste bei den konventionellen Turbinen die Schallgeschwindigkeit.oder die hohe Machzahl der absoluten Geschwindigkeit c. während der Explosionsperiode, da das Druckverhältnis größer als das kritische ist. Während der Zeit, in der in der Turbine der Durchfluß ein Maximum erreicht, sollten die Düsen von konvergent-divergentem Typ sein (Überschalldüsen), so daß große Verluste beim Eintreten von Schallgeschwindigkeit vermieden werden können. Bei der folgenden Periode, wo das Druckverhältnis unterkritisch ist, würden solche konvergent-divergenten Düsen sehr unwirtschaftlich arbeiten. Um einen guten Turbinenwirkungsgrad bei allen Betriebsbedingungen der Turbine zu erreichen, ist eine schnelle Änderung der Düsenanordnung nötig, welche sich ständig selber dem momentanen Druckverhältnis anpaßt und sich von hoher Konvergenz-Divergenz zu immer kleinerer Divergenz und schließlich zur reinen Konvergenz der Düsenkanäle ändert. Dies ist mechanisch unmöglich zu verwirklichen und war lange ein Stein des Anstoßes in der Entwicklung von Explosionsgasturbinen gewesen. Jetzt ist das exakte Äquivalent zur automatischen Selbsteinstellung der Düsenanordnung durch die vorliegende Erfindung erreicht; wie oben beschrieben, erhält man konvergente Düsen und einen sich nach innen ausdehnenden schaufellosen, beschleunigeuden Raum. In diesem Durchgang tritt in Übereinstimmung mit dem Gesetz über freie Wirbelströmung Überschallgeschwindigkeit ein, sobald das Druckverhältnis das kritische Verhältnis überschreitet und ein exaktes Äquivalent einer geeigneten divergenten Düse, die Überschallgeschwindigkeit bewirkt, erreicht wird durch automatische Änderung der Strömung durch den Schneckenwinkel der inneren Strömungsspirale. Dieser schaufellose, beschleunigende Raum hat noch eine andere Funktion, welche in Verbindung mit der folgenden Erklärung der zeitlichen Reihenfolge der verschiedenen Ereignisse und Strömungsphänomene erläutert wird.
  • F i g. 8 zeigt die periodische Variation des Druckes in der Brennkammer (ausgezogene Kurve) in Funktion der Zeit. Während jedes Zyklus (Dauer eines Zyklus etwa i/ioo Sekunde) wächst der Druck in der Brennkammer fast augenblicklich, dann fällt er schnell auf einen minimalen Wert. Es folgt ein kleiner Anstieg auf das Ursprungs(Lade-)Druckverhältnis. An diesem Punkt sind die durch die Ventilfunktion des Verdichterrades einströmende Menge und die durch die Turbine ausströmende Menge beide 1001/o, dargestellt durch die Massenstromkurve. über die Einströmkurve sei bemerkt, daß, wenn die Spitze des Explosionsdruckes erreicht wird, die Einströmung praktisch aufhört: sobald der Brennkammerdruck absinkt, nimmt die einströmende Menge zu und erreicht momentan mehr als 100 %. Dieser überschuß ist der Betrag an Luft, der während des hohen Druckes in der Brennkammer einen Augenblick vorher am Eintreten in die Brennkammer verhindert wurde. Dieser überschuß ist in den Verdichterradkanälen gespeichert worden und wurde dann in die Brennkammer entladen.
  • Der gesamte Zeitbedarf, um eine Druckwelle aufzubauen und absinken zu lassen, ist ungefähr ein Viertel des Zyklus, drei Viertel werden für das Spülen und Nachladen der Brennkammer sowie zur Kühlung aller stationären und rotierenden Teile, welche der hohen Gastemperatur ausgesetzt sind, benötigt. Zur Kühlung ist nicht mehr Zeit nötig als zur Erhitzung. Der Kühlluftstrom ist größer als der Luftstrom während der Verbrennung; daraus resultiert eine sehr wirksame Kühlung. Dies ist der Schlüssel zur sehr hohen Spitzentemperatur, welche sich in der Brennkammer bei niedrigem Brennstoffverhältnis ergibt.
  • Um diese gewünschten Bedingungen zu erreichen, ist es wesentlich, daß die Explosionsdruckwellen schnell absinken und daß das Wellensystem sich wie beschrieben abspielt, jeder Druckwelle folgt eine Verdünnungswelle. Dies wird durch die Trägheitseffekte erzielt, denen die durch die Turbine strömende Gassäule unterworfen ist. Dieses dynamische Phänomen spielt sich hauptsächlich im unbeschaufelten, beschleunigenden Durchgang 12 der F i g. 3 ab und in einem geringeren Ausmaß im Verzögerungsdurchgang (Turbinenaustnttsdiffusor) 14, da die große Masse der Gase, die sich in jedem Augenblick in diesem Durchgang befindet, großen und schnellen Änderungen der Geschwindigkeit unterworfen sind. Durchgang 12 trägt dazu bei, sehr hohe Frequenzen (etwa 100 Prozesse je Sekunde) der beschriebenen kompletten Gaswechselprozesse zu erreichen. Daraus resultiert eine hohe spezifische Leistung, oder, in anderen Worten, für eine gegebene Leistung erhält man eine kompakte und leichte Einheit.
  • Während eines Bruchteils von jedem Zyklus, bei dem die Temperatur, das Druckverhältnis und die Strömung der Gase durch die Turbine hoch sind, wird eigentlich die ganze Leistung in der Turbine aufgebracht. Dies zeigt die Leistungskurve in F i g. 9, aufgetragen über der Zeit. Diese Figur zeigt auch den Leistungsbedarf, um die Ventiltätigkeit des Verdichterrades zu steuern; diese Leistung variiert von Anfang bis Ende des Prozesses nur wenig und ist sehr klein. Es ist ersichtlich, daß die Leistung der Turbine während der Kühl- und Ladephase eines Prozesses sogar kleiner ist. Während dieser Phase ist die Nettoleistung der Einheit unbedeutend negativ, wie es durch die vertikal schraffierte Fläche in F i g. 9. gezeigt wird. Diese negative Leistung oder, in anderen Worten, die aufgenommene Leistung während der zweiten Hälfte des Prozesses, wo sich Reinigen und Laden der Brennkammer sowie Kühlung der ganzen Turbine vollzieht, muß natürlich von der Nettoleistung während der ersten Hälfte des Prozesses subtrahiert werden. Dies wird gezeigt durch die vei tikal schraffierte Fläche in F i g. 9.
  • Es muß an dieser Stelle erwähnt werden, daß der Schwungradeffekt des schweren, schnellaufenden Rotors eine wahrnehmbare Änderung der Rotorgeschwindigkeit verhütet.
  • Die Frequenz der Explosionswellen (jeder folgt sofort eine Verdünnungswelle) hängt ausschließlich von der Frequenz der Öleinspritzungen ab. Dies unterscheidet die Erfindung von allen anderen Entwicklungen, in welchen das Wellensystem durch einen Resonanzeffekt hervorgerufen wird, nämlich dadurch, daß sich in einer Röhre periodische Strömungen befinden, die in einigen Fällen mechanisch ausgelöst werden, oder so, wie dies bei gewissen. Toninstrumenten geschieht. Bei diesen Entwicklungen arbeitet das System mit der Eigenfrequenz, und die Verbrennung in der Brennkammer muß mit dieser Eigenfrequenz übereinstimmen. In der vorliegenden Erfindung kann die Frequenz der Öleinspritzungen frei gewählt werden, da sie die einzige Ursache des Wellensystems sind. Diese Freiheit führt wie folgt zu großen Vorteilen: Bei Vollast einer gegebenen Einheit kann die Frequenz der Öleinspritzungen so gewählt werden, daß während der Kühlphase eines jeden Prozesses gerade genug Kühlluft zwischen den sukzessiven heißen Verdichterluftströmen zugeführt wird, so daß entsprechende Kühlung - wie oben beschrieben -gewährleistet ist. Bei Teillast wird die Frequenz reduziert und die Länge eines jeden kompletten Prozesses vergrößert. Diese Methode der Reduktion der Leistungsabgabe bei konstanter Drehzahl resultiert in einer Überkühlung während des Teillastfahrens, hat aber den sehr wünschenswerten Effekt, daß sich die Verbrennung des Öls unter invariablen Bedingungen eines konstanten, niederen Luft-Brennstoff-Verhältnisses bei maximaler Temperatur und maximalem Explosionsdruckanstieg abspielt; daraus resultieren ein minimaler Teillastölverbrauch oder sehr flache Kurven des spezifischen Ölverbrauchs, aufgetragen über der Belastung. Die Reduktion der Frequenz der Öleinspritzungen mit der Reduktion der Belastung kann so erreicht werden, wie es schon beschrieben wurde. Eine Ausweichmöglichkeit der Belastungsregulierung, die keine Änderung der Prozeßfrequenz und der oben beschriebenen Änderung der Geschwindigkeit der Ölpumpe bewirkt, nichtsdestoweniger aber doch in der Handhabung des konstanten Öl-Brennstoff-Verhältnisses, wie es für die explosive Verbrennung, vom Standpunkt eines sparsamen Teillastfahrens, vermöge der hohen Prozeßtemperaturen, erwünscht ist, wird nun beschrieben. In dem sich radial nach innen ausdehnenden Raum am Verdichterradeintritt werden zum Zwecke der Änderung der Eintrittswirbel in das Verdichterrad Eintrittsleitschaufeln angebracht. Sie bewirken eine Änderung des Massenflusses. Diese Massenfiußregulierung ist synchronisiert mit der konventionellen Regulierung der Öleinspritzungen (Regulierung der eingespritzten Ölmenge) derart, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis im wesentlichen über den ganzen Belastungsbereich konstant bleibt. Es ist klar, daß für gewisse spezifische Zwecke beide obigen Regulierungsmethoden kombiniert werden können. Die neue Explosionsgasturbinenanlage, wie sie in F i g. 3 illustriert und im vorangegangenen beschrieben wurde, verkörpert ein einfaches Verdichterrad, dessen hauptsächliche Funktion darin besteht, wie ein Rückschlagventil zu funktionieren und dadurch eine Rückströmung während der Explosion zu verhüten. Diese Ventilfunktion, auf einem dynamischen Phänomen beruhend, verlangt eine hohe Umfangsgeschwindigkeit der Verdichterrades einerseits, und andererseits ist es notwendig, daß während des normalen Luftdurchsatzes durch das Verdichterrad der Druckanstieg sehr gering ist. Ein einziges Stufenelement in Übereinstimmung mit F i g. 3 würde aus diesem Grunde im Moment der Verbrennung nicht viel mehr als Atmosphärendruck in die Brennkammer liefern oder, mit anderen Worten, das Prozeßkompressionsverhältnis würde sehr niedrig sein. Bekanntlich steigt der thermische Wirkungsgrad, wenn das Kompressionsverhältnis vergrößert wird. Höhere Kompressionsverhältnisse könnten durch eine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit des Verdichterrades erreicht werden; dies würde aber zu Schallgeschwindigkeit und dadurch zu einem beträchtlichen Anstieg der Verluste führen. Es ist daher wünschenswerter, zu einem mehrstufigen Verdichter überzugehen, in welchem kleinere Machzahlen vorherrschen.
  • Es ist klar, daß die Leistung, stammend von einer Gleichraumverbrennung, die unter einem Druck Pl 2 verläuft, die Summe der Leistung einer Gleichdruckverbrennung, für welche der Druck P, 2 und einer Gleichraumverbrennung, für welche das Kompressionsverhältnis 1,0 ist. Man kann daher die Grundanordnung der Fig.3 zum Einsatz bei jeder gewünschten Druckhöhe beibehalten (mehr als atmosphärischer Druck bei Ventilfunktion am Verdichterradeintritt und Turbinenaustritt, wie bereits erwähnt). Dies bedingt ein Hinzufügen einer oder mehrerer Kompressorstufen, die die Luft vorkomprimieren, bevor sie in das Ventilfunktions-Verdichterrad eintritt, sowie ein Hinzufügen einer oder mehrerer Turbinenstufen, in welchen die Verbrennungsgase von einem Druck, der höher ist als der atmosphärische, expandiert werden. Wenn diese hinzugefügten Stufen über Pufferkammern genügender Kapazität mit dem Ein- bzw. Austritt der ursprünglichen Einheit verbunden werden, z. B. durch lange Verbindungsröhren, so arbeiten diese Stufen unter der Bedingung einer stationären Strömung trotz des intermittierenden Prozesses der ursprünglichen Einheit, exakt wie beschrieben, mit der einzigen Ausnahme, daß dies bei einem höheren Druck geschieht. Fast perfekt stationäre Tätigkeit der hinzugefügten Kompressorstufen, wie es durch Einschieben einer passenden Pufferkammer erreicht wird, ist nur nötig, wenn dieser Kompressor einen engen Bereich der Strömung besitzt, über den der Wirkungsgrad hoch ist, wie dies z. B. bei einem Axialkompressor der Fall ist. Wird ein. Kompressor verwendet, dessen Wirkungsgradkurve in Abhängigkeit des Massenflusses flach ist und gleichzeitig dessen Druckverhältniskurve, aufgetragen über dem Massenfluß, steil und kontinuierlich über einen weiten Bereich zunehmenden Massenflusses verläuft sowie ähnlich der Kurvencharakteristik der Ventilfunktion des Verdichterrades ist, so kann die Pufferkammer weggelassen oder sehr klein gemacht werden. Ein solcher Kompressor ist dann automatisch gezwungen, an der Ventilfunktion des speziellen Verdichterrades, welche den Eintritt in die Brennkammer besorgt, teilzunehmen und diese zudem zu erhöhen. Dadurch wird eine Reduktion der Ventilfunktion des Verdichterrades durch Verringerung der Umfangsgeschwindigkeit oder vorteilhafter ein höheres Druckverhältnis bei 100 ',/0 Massenstrom möglich.
  • Ähnliche Betrachtungen führen auf die Anwendung einer Pufferkammer am Austritt der Turbine und der hinzugefügten Turbinenstufe oder Stufen, die in Verbindung mit einer Hochdruckeinheit benötigt werden. Ist das Volumen einer solchen Pufferkammer groß, so arbeitet die Niederdruckturbine eigentlich mit stationärer Strömung, die Hochdruckturbine aber ist der ganzen Strömungs- und u/e-Änderung unterworfen, welche durch die Explosionsdruckwellen verursacht werden.
  • Die Vorteile eines hohen Prozeßkompressionsverhältnisses oder einer Mehrstufeneinheit, welche höheren thermischen Wirkungsgrad, verbesserte Kompressor- und Turbinenfunktion, stationäre Leistungsabgabe usw. berücksichtigt, sind so groß, daß die bevorzugte Verkörperung der Erfindung die Form .einer Mehrstufeneinheit annimmt. Wie aus der vorangegangenen Diskussion folgt, kann eine Mehrstufenanordnung ohne Abweichung von der ursprünglichen Erfindung verschiedene Formen annehmen. Ferner folgt aus dem Dargelegten, daß eine hauptsächliche Form der Mehrstufeneinheit aus der Anwendung eines weiten Bereichs des Kompressors resultiert, welcher komprimierte Luft in den Eintritt des Ventilfunktions-Verdichterrades liefert. Eine solch bevorzugte Anordnung ist in F i g. 10 gezeigt. Sie stellt einen Längsschnitt durch eine Einheit dar, welche identisch mit der gezeigten und beschriebenen Einheit in F i g. 3 ist, soweit es die ursprüngliche Konstruktion betrifft. Sie hat aber zwei dem Ventilfunktions-Verdichterrad vorgeschaltete Kompressorstufen. Ferner ist der. Turbinenstufe nach F i g. 3 eine weitere hinzugefügt.
  • Die erste und zweite Stufe des Verdichterrades 31 und 32, zusammen mit dem Ventilfunktions-Verdichterrad 33 (das die dritte Kompressorstufe darstellt) und die Turbinenwelle 34, welche den Kompressor antreibt, stellen den kompletten frei laufenden Rotor dar; er ist in den Lagern 35 und 36 gehalten. Die zweite Niederdruck-Turbinenstufenwelle 37 ist koaxial und mechanisch unabhängig vom Kompressor und der Kompressorturbine angeordnet. Sie erhält die Gase von der Kompressorturbine durch den ringförmig verbindenden Kanal 38. Die ganze nach außen abgegebene Leistung geschieht durch die Niederdruckturbinenstufe 37. Sie ist fliegend auf der Ritzelwelle 39 des Reduktionsgetriebes 40 (Planetengetriebe) angeordnet. Das Reduktionsgetriebe 40 gibt die Leistung durch die langsam rotierende Welle 41 nach außen ab.
  • Die gleiche Nockenart, welche, wie weiter oben beschrieben, den Kolben der Einspritzpumpe 42 abwechselnd betätigt, wird vom äußeren freien Ende des rotierenden Kompressorrotors angetrieben und liefert das öl zu den Einspritzdüsen 43. (Die Pumpe ist in vereinfachter Form ohne die einstellbare Besonderheit dargestellt, und die Anordnung für die Regulierung der Ölströmung und der Belastung kann die zwei diskutierten Formen in Verbindung mit der einstufigen Einheit annehmen. Wenn für Regulierungszwecke - wie diskutiert - einstellbare Eintrittsleitschaufeln in einem Mehrstufenkompressor verwendet werden, müssen sie in der Nähe des Eintritts der ersten Verdichterstufe angeordnet sein.) Während der öleinspritzperiode und d'em Moment, wo die Brennkammer 44 am Eintritt mit Luft und am Austritt mit dem explosiven Luft-01-Gemisch gefüllt ist, erfolgt die Zündung durch die Zündkerzen 45 und die exakte Gleichraumverbrennung. Der Druck in der Brennkammer steigt auf ungefähr das 5fache des Ladedruckes. Die Wärme und Druckenergie, welche in den Druckwellen enthalten sind, werden durch zwei Turbinen in einer Art und Weise, wie sie noch in Details erörtert werden, in mechanische Energie verwandelt. Dies geschieht im großen ganzen identisch, wie es in Verbindung mit dem ursprünglichen Stufenelement beschrieben wurde.
  • Die Rückströmung der Druckwellen von der Brennkammer durch den Lufteintritt und die Kanäle des Kompressors wird im wesentlichen durch die Ventiltätigkeit des Verdichterrades 33, wie vorher beschrieben, verhindert. Mit einer entsprechend konstruierten Mehrstufenanordnung kann die Ventiltätigkeit beträchtlich erhöht werden. Zu diesem Zweck muß die Verdichterrad-Spitzengeschwindigkeit dieser Stufe hoch, der Schaufelaustrittswinkel klein und der Stufendruckanstieg bescheiden sein. Dies alles folgt aus der vorhergehenden Erklärung über die Ventilfunktion. Hier wurde festgehalten, daß in der kurzen Zeit, in der die Druckerhöhung erfolgt, das spezielle Verdichterrad eine momentane Rückströmung verhindern kann. Diese Ventilfunktion wird höher mit zunehmender Spitzengeschwindigkeit des Verdichterrades, mit kleinerem Schaufelaustrittswinkel und kleinerem, stationärem Druckverhältnis. Die drei Stufen des in F.i g. 10 gezeigten Kompressors arbeiten in übereinstimmung mit diesen Prinzipien mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten (Größenordnung 400 m je Sekunde), aber mit einem bescheideneren Stufendruckverhältnis als ein konventionelles, schnellaufendes Verdichterrad, da alle drei Verdichterräder kleine - wie in F i g. 11 gezeigt - Austrittswinkel haben. F i: g.11 stellt einen Teil einer radialen Projektion aller rotierenden und stationären Kompressor- und Turbinenschaufeln auf einem koaxialen Zylinder dar. Wie durch diese Figur gezeigt wird, können die Austrittswinkel z. B. 40, 25 und 1.5° für die erste bzw. zweite und .dritte Stufe des Verdichterrades betragen.
  • Der kleine ,B2 Winkel und das bescheidene Stufendruckverhältnis bewirken eine niedere Unterschall-Machzahl aller absoluten und relativen Geschwindigkeitskomponenten (trotz der überschallgeschwindigkeit der Schaufeln). Der größte Teil der Kompression wird durch den hohen Zentrifugaleffekt, welchem die Luft unterworfen ist, erreicht. Es wird also nur ein kleiner Teil des Totaldruckanstieges durch Verwandlung von kinetischer Energie (Diffusor) in Druck gewonnen. Zufolge der niederen Machzahl und der kleinen Energieumsetzung im Diffusor sind die Diffusorschaufeln, hauptsächlich ihre Eintrittswinkel über einen weiten Strömungsbereich nicht kritisch. Die Funktion der Diffusorschaufeln 46 beschränkt sich wesentlich auf die Änderung der Luftrichtung in axiale Richtung sowie auf ein Erreichen glatter, axialer Abströmung aus dem Verdichterrad in den axialen Eintritt des nächsten. Die meridionalen Strömungswege der Diffusorkanäle 46 sind S-förmig, und entsprechend S-förmig sind auch die einfachen meridionalen Strömungswege durch die Verdichterradkanäle 48. Wie im Fall der einfachen Stufeneinheit ist diese Art von Verdichterradkonstruktion nötig, um eine rein radiale und daher biegefreie Anordnung der Verdichterradschaufeln, welche die obigen sehr kleinen Austrittswinkel haben, zu erreichen.
  • Hätten die Kompressibilität der Luft und der Effekt der Pufferkammer sowie die erste und zweite Diffusorstufe mit den verbindenden Kanälen keinen Einfluß, so würden diese Stufen den gleich weiten Strömungsbereich während jedes Explosionszyklus wie die dritte Stufe haben. Da die erste und die zweite Stufe primär Kompressorstufen sind, so ist ihre Ventilfunktion begrenzt; soll hoher Kompressorwirkungsgrad erreicht werden, so ist das Funktionsfeld auf einen nicht allzu großen Strömungsbereich beschränkt. Dies kann leicht erreicht werden, indem man für genug große verbindende Kanäle besorgt ist oder, wenn nötig, indem man eine oder mehrere separate Pufferkammern hinzufügt, wie dies 49 in F i g. 10 zeigt. Diese ringförmige Pufferkammer ist so angeordnet und verbunden mit der Austrittsregion des Diffusors 47 der zweiten Stufe, daß Luft eintreten, gespeichert und tangential austreten kann. Während jeder Explosionsdruckwelle stoppt die Strömung in das Verdichterrad der dritten Stufe für einen Moment als Resultat ihrer Ventilfunktion. Die Teilnahme der vorher beschriebenen ersten und zweiten Stufe an dieser Ventilfunktion kann reguliert werden mit Hilfe des Volumens der Pufferkammer, und zwar solcher Art, daß die Zyklusvariationen der Strömung durch diese Stufen derart begrenzt werden, daß sich die Kompressorwirkungsgrade im optimalen Gebiet befinden.
  • Eine ähnliche Pufferkammer könnte auch zwischen den zwei Turbinen zum Zweck der Erhöhung des Speichereffektes des verbindenden Kanals 38 verwendet werden. Die Druckwellen würden dadurch ausgeglättet und die Temperaturschwankungen egalisiert werden. Dies würde bewirken, daß die Niederdruckturbine unter fast stationären Strömungsbedingungen sowie konstantem u1c und damit mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet. Man könnte dadurch die Erschwerung, daß die Hochdruckturbine, dessen u1c z. B. von 0,32 auf 1,5 wechselt, über einen weiten Bereich Änderungen des Expansionsverhältnisses der Temperatur und Strömung erfährt, ausschalten. Solch große Änderungen von u1c bei der Hochdruckturbine würden einen Wirkungsgrad, der während der ganzen Expansion jedes Zyklus hoch bleibt, nicht zulassen. Eine Turbine mit fast konstantem Wirkungsgrad über einen kleinen Bereich von u1c kann entworfen werden. Dieses Verhältnis beträgt z. B. 0,42 bis 0,9 und ist der reduzierte Bereich, der davon herrührt, daß man die Niederdruckturbine an den Strömungsschwingungen teilnehmen läßt, indem man ein kleines Volumen des Zwischenstufenkanals 38 einschaltet.
  • Der höhere thermische Wirkungsgrad einer Mehrstufenexplosionsgasturbine (wie in F i g. 10 gezeigt) verglichen mit derjenigen der ursprünglichen, einstufigen Einheit (Fig.3) rührt nicht nur von dem höheren Kompressionsverhältnis her, sondern auch von der besseren Turbinenleistung. Weitere Vorteile der Mehrstufenanordnung sind die stetigere Abgabe der Leistung durch die separate Turbine und die Tatsache, daß diese Turbine bei den verschiedensten Drehzahlen, die durch die Belastung hervorgerufen werden, arbeiten kann. Die Geschwindigkeit der frei rotierenden Turbine und damit die des Kompressors bleibt konstant, wie es für die optimale Ventilfunktion der Kompressorstufe zu wünschen ist.

Claims (6)

  1. Patentansprüche: 1. Verpuffungsgasturbinenanlage mit einem Diagonalverdichter, einer von dem Verdichter gespeisten Brennkammer, einer Vorrichtung zum intermittierenden Einspritzen feinzerstäubten Brennstoffs und mit einer Vorrichtung zum Zünden des durch die Brennstoffeinspritzung erhaltenen explosiven Gemisches, wobei die Verbrennungsgase über Düsen zu einer Turbine gelangen, welche den Verdichter antreibt, d adurch gekennzeichnet, daß der Läufer des Diagonalverdichters in an sich bekannter Weise aus einem kegelstumpfförmigen Grundkörper besteht, auf dessen Mantelfläche Schaufeln angeordnet sind, die von der Eintrittsseite zu der einen größeren Durchmesser aufweisenden Austrittsseite etwa schraubenlinig und nach rückwärts gekrümmt derart verlaufen, daß zwischen den Schaufeln verhältnismäßig lange Strömungskanäle gebildet werden, deren engster Querschnitt sich nahe dem Verdichteraustritt befindet, daß der Schaufelaustrittswinkel ß2 zwischen 10 und 25° liegt, daß die Brennstoffeinspritzvorrichtung ungefähr während derjenigen Zeit Brennstoff einspritzt, welche der Luftstrom benötigt, um von dem Verdichteraustritt durch die Brennkammer hindurch zu den Düsen zu gelangen, und daß die Zündvorrichtung das Brennstoff-Luft-Gemisch ungefähr am Ende der Einspritzperiode zündet.
  2. 2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer die Form eines ringförmigen Diffusors hat, in den bei seinem minimalen Durchmesser die vom Verdichter kommende Luft zusammen mit dem Brennstoff eintritt und der die Verbrennungsgase bei seinem maximalen Durchmesser zu den Düsen abgibt.
  3. 3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung derart gesteuert ist, daß sie während weniger als der Hälfte des Zeitraumes zwischen aufeinanderfolgenden Einspritzungen Brennstoff einspritzt, wodurch beträchtliche Zeitperioden für eine Strömung von Kühlluft geschaffen sind.
  4. 4. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Diagonalverdichterrad S-förmig gekrümmte Schaufeln aufweist, die in an sich bekannter Weise für axialen Strömungsaustritt ausgelegt sind.
  5. 5. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine dem Diagonalverdichterrad unmittelbar vorgeschaltete Verdichterstufe, die ein Zentrifugal- (oder Diagonal-) Laufrad mit S-förmig, am Austritt rückwärts gekrümmten Schaufeln aufweist, so daß die Kennlinie, welche den Druckanstieg in Abhängigkeit des Durch- Satzes wiedergibt, über einen weiten Bereich abnehmenden Durchsatzes stetig ansteigt.
  6. 6. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Mittel, um die Frequenz der Einspritzung zu ändern, ohne die Dauer der Einspritzung zu ändern. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 1002 569, 897470, 870 616, 548 631, 524 455, 231786; _ britische Patentschriften Nr. 699 865, 594 307; USA.-Patentschriften Nr. 2 924 937, 2 709 893.
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