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Verfahren zum Betriebe von Verpuffungskammern Im Wesen des in Verpuffungsbrennkraftturbinen
angewandten Verpuffungsverfahrens liegt es, daß während der Verarbeitung der je
Arbeitsspiel einer Verpuffungskammer erzeugten Verbrennungsgase der Druck derselben
und damit die Strahlgeschwindigkeit sinkt. Dieses Absinken der Strahlgeschwindigkeit
wirkt sich nach zwei verschiedenen Richtungen hin nachteilig aus. Zunächst machen
die hohen Strahlgeschwindigkeiten, die über der kritischen Geschwindigkeit liegen,
die Verwendung sich erweiternder Düsen erforderlich. Nun ändert sich die erforderliche
Düsenerweiterung mit der Strahlgeschwindigkeit. Würde die Düsenerweiterung nach
der höchsten auftretenden Geschwindigkeit bemessen, so wird die Düse schlechter
arbeiten, sobald die Strahlgeschwindigkeit auf einen geringeren Wert abgesunken
ist. Wird umgekehrt das Erweiterungsverhältnis der Düse für eine geringe Strahl.-geschwindigkeit
bemessen, so wird der Düsenwirkungsgracj bei der hohen, im Beginn der Expansion
auftretenden Strahlge-schwindigkeiten niedrig sein. Veränderungen in der Strahlgeschwindigkeit
haben also zur Folge, daß der Düsenwirkungsgrad stark wechselt. Mit der Änderung
der Strahlgeschwindigkeit ist aber nicht nur eine Änderung des Düsen-, sondern auch
des Radwirkungsgrades verbunden. Es ist bekannt, daß dieser Radwirkungsgrad, von
-dem Verhältnis Umfangsgeschwindigkeit zur Strahlgeschwindigkeit abhängig ist. Dieses
Verhältnis ändert sich bei sinkender Strahlgeschwindigkeit, da die Umfangsgeschwindigkeit
selbst konstant ist, sehr erheblich, so daß auch entsprechen-,de Schwankungen im
Radwirkungsgrad auftreten.
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Ausgehend von diesen mehr oder weniger erkannten Feststellungen ist
es bereits bekanntgeworden, die je Arbeitsspiel einer Verpuffungskammer erzeugten
Verbrennungsgase der Menge nach zu unterteilen und die Teilmengen unabhängig voneinander
zu verarbeiten-. Um eine gewisse Anpassung der Aeschaufelungen an den Zustand der
von ihnen verarbeiteten Gase zu erreichen, hat man dabei die hochgespannten Gase
durch drei Schaufelkränze, die Gase mittlerer Spannung durch: zwei Schaufelkränze
und die nied'rigstgespannten Gase durch einen Schaufelkranz eines dreikränzigen
Curtisrades geleitet. Ein dreikränziges Curtisrad hat jedoch einen verhältnismäßig
geringen. Wirkungsgradl. Außerdem sind die Strömungsverhältnisse in derartigen Rädern
sehr mangelhaft, weil sich die Durchtrittsquerschnitte für die Gase innerhalb der
Leitschaufeln sprunghaft ändern, und jede Gasführung nach den freien Enden der Leitschaufeln
zu fehlt. Die Gase können sich also beliebig verteilen und verlieren ihre Führung
sowie ihre Strömungsrichtung, wobei die wirksamen Austrittsquerschnitte ans den
Leitschaufeln gänzlich unbestimmt sind. Bei den
Vorschlägen dieser
Art war die Anpassung der Beschaufelung an die Zustände der verarbeiteten Gase im
übrigen, deshalb nicht vollständig, weil die Verbrennungsgase niedrigster Strahlgeschwindligkeiten
von: den Beschaufelungen höchster Umfangsgeschwindigkeiten und die Verbrennungsgase
höchster Strahlgeschwindigkeiten von den Beschaufelungen niedrigster Umfangsgeschwindigkeiten
verarbeitet wurden.
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Demgegenüber kennzeichnet sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene
Verfahren zum Betriebe von Verpuffungskammern, bei dem die je Arbeitsspiel einer
Verpuffungskammer erzeugten Verbrennungsgase er Menge nach unterteilt und die Teilmengen
unabhängig voneinander verarbeitet werden, dadurch, daß Teilmengen in mehreren Turbinenrädern
angehörenden Beschaufelungen verarbeitet werden. Durch diese Maßnahme wird man unabhängig
von der 'NTotwendigkeit, mehr als zwei Schaufelkränze anordnen zu müssen, wenn die
je Verpuffung entstehenden Verbrennungsgase in mehr als zwei Teilmengen verarbeitet
werden sollen; man kann also ein-oder zweikränzige Curtisräder höchsten. Wirkungsgrales
verwenden und trotzdem das günstigste Verhältnis zwischen Umfangs-,geschwindigkeit
und Strahlgeschwindigkeit in den die Gasteilmengen wechselnder Strahlgeschwindngkeit
verarbeitenden Beschaufelungen durch entsprechende Abstufung der Raddurchmesser
verwirklichen.
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Im Wesen,der Erfindung liegt es dabei, die je Arbeitsspiel erzeugten
Verbrennungsgase der Menge nach möglichst stark zu unterteilen und möglichst viele
Teilmengen in verschiedenen Turbinenrädern unabhängig voneinander zu verarbeiten.
Dieses Bestreben hat eine natürliche Grenze in der hierdurch entstehenden Vervielfachung
der Düsen- und Radsv steme. Werden dabei mehrere Teilmengen durch ein gemeinsames,
aber mehrkränziges Laufrad verarbeitet, so sollen nach der Erfindung die hinteren
Schaufelkränze des Laufrades für Teilmengen geringerer Strahlgeschwindigkeit entsprechend
deren Abnahme mehr und mehr abgeschirmt werden. Auf diese Weise wird die Anpassung
an die abnehmende Strahlgeschwindigkeit der verarbeiteten Teilmengen erreicht.
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Die zur Durchführung des neuen Verfahrens dienende Verpuffungsbrennkraftturbine
kennzeichnet sich durch Anordnung mehrerer je Verpuffungskammer angeordneter Ausströmorgane
zur Eröffnung und zum Abschluß von Düsen, welche die je Arbeitsspiel der Verpuffungskammer
erzeugten und aus ihr ausströmenden Verbrennungsgase in Teilmengen zu den zugeordneten
Beschaufelungen entlassen, wobei diese Beschaufelungen auf mehreren Turbinenrädern
angeordnet sind. Bei folgerichtigster Durchführung des Erfindungsgedankens würde
also je Ausströmorgan eine besondere Düse und eine besondere Beschaufelung angeordnet
sein, wobei das Erweiterungsverhältnis der Düse und die 'Umfangsgeschwindigkeit
der Beschaufelung der Strahlgeschwindigkeit derjenigen Teilmengen der Verbrennungsgase
angepaßt wäre, die durch dieses Ausströmorgan zu der' zugeordneten. Düse und zur
zugeordneten Beschaufelun.g hin entlassen wird. Um jedoch,das Bestreben, möglichst
viele Ausströmorgane und ihnen zugeordnete Düsen- bzw. Beschaufelungssysteme anzuordnen,
mit der Forderung zu vereinen, die Bauart der Turbine möglichst einfach zu halten.,
kennzeichnet sich eine besonders vorteilhafte Ausführungsform erfindungsgemäß ausgebildeter
Verpuffungsbrennkraftturbinen durch eine mehrkränzige Beschaufelung für mehrere
Ausströmv entile und Düsen, deren hintere Schaufelkränze im Wirkungsbereich der
Teilmengen niederer Strahlgeschwindigkeit verarbeitenden Düsen abgeschirmt sind.
Die Beschaufelung arbeitet durch die Abschirmung der hinteren Schaufelkränze mit
demselben hohen Wirkungsgrad wie die urabgeschirmte Beschaufelung desselben Laufrades,
die durch Verbrennungsgase hoher Strahlgeschwindngkeit beaufschlagt wird.
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Die Anordnung mehrerer Ausströmorgane je Verpuffungskammer ist an
sich nicht neu. Derartige Anordnungen sind beispielsweise bekanntgeworden, um die
durch Spülluft ausgetriebenen Verbrennungsgase gesondert von den Verbrennungsgasen
zu verarbeiten, die infolge ihrer Eigenspannung expandieren. Bei diesen Anordnungen
werden aber die Verbrennungsgase auf dieselbe Beschaufelung entlassen, so daß die
erfindungsgemäß erstrebten Wirkungen nicht eintreten.
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Die Zeichnung zeigt in den Abb. i und diagrammatische Darstellungen
über den Zusammenhang zwischen Strahlgeschwindigkeit und; Leistung der Verbrennungsgase
je Arbeitsspiel bzw. Radwirkungsgrad und Verhältnis zwischen Umfangsgeschwindigkeit
und! Strahlgeschwindigkeit.
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Abb. 3 gibt einen waagerechten Querschnitt durch eine erfindungsgemäß
ausgebildete Turbinenanordnung gemäß den Linien III-III der Abb. 4 und 5 wieder,
während Abb. :4 und 5 senkrechte Längsschnitte durch die Turbine nach den Linien
IV-IV und V-V der Abb. 3 -neigen.
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Das Diagramm der Abb. i zeigt zunächst, wie die Geschwindigkeit der
Verbrennungsgase während der Entladung einer Verpuffungskammer abnimmt. Als Abszisse
ist der Prozentsatz der Leistung der Verbrenntingsgase
je Arbeitsspiel
aufgetragen, der bis zu (lern jeweiligen Zustandspunkte abgegeben worden ist. Als
Ordinate ist der jeweilige Prozentsatz der Strahlgeschwin1digkeiten, bezogen auf
die größte überhaupt auftretende Strahlgeschwirndiigkeit, aufgetragen. Die Kurve
zeigt, daß die Abnahme der Strahlgeschwindigkeit über .den größten Teil d'er abgegebenen
Leistung verhältnismäßig langsam erfolgt. Immerhin ist diese Abnahme sowohl für
den Wirkungsgrad der Düse wie für den Radwirkungsgrad ungünstig.
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Abb.2 zeigt, wie sich die Abnahme der Strahlgeschwindigkeit auf den
Radwirkungsgrad auswirkt. Als Abszisse aufgetragen ist das Verhältnis zwischen Umfangsgeschwindigkeit
und Strahlgeschwin(digkeit, während die Ordinate den Wirkungsgrad selbst wiedergibt.
Die ausgezogen wiedergegebene Kurve gibt die Wirkungsgradverhältnisse für ein zweikränziges,
die gestrichelt gezeichnete Kurve dieselben Verhältnisse für .ein einkränziges Laufrad
wieder.
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In Erkenntnis der durch diese Kurven veranschaulichten Nachteile schlägt
vorliegende Erfindung, ausgehend von dem bekannten Verfahren, die je Arbeitsspiel
einer Verpuffungskammer erzeugten Verbrennungsgase der Menge nach zu unterteilen
und die Teilmengen unabhängig voneinander zu verarbeiten, vor, Teilmengen in mehreren
Turbinenrädern angehörenden Beschaufelungen zu verarbeiten. Abb. r veranschaulicht
das Ausgangsverfahren für dien Fall, daß die je Arbeitsspiel einer Verpuffungskammer
erzeugten Verbrennungsgase in vier verschiedenen Teilmengen verarbeitet werden sollen.
Es wird also zunächst die Verbrennungsgasteilmenge I zwischen- den Zustandspunkten
z und 2, hierauf die Verbrennungsgasteilmenge II zwischen den Zustandspunkten 2
und 3, hierauf die Verbrennungsgasteilmenge III zwischen den Zustandpunkten 3 und
q. und hierauf die Verbrennungsgasteilmenge IV vom Zustandspunkte q. ab verarbeitet.
Die Strahlgeschwindigkeit der Verbrennungsgasteilmenge I ist höher wie die der Verbrennungsgasteilmenge
II, die der Verbrennungsgasteilinenge II größer wie die der Verbrennungsgasteilmenge
III und die der Verbrennungsgasteilmenge III größer wie die der Verbrennungsgasteilmenge
IV. Um bei der Verarbeitung der Verbrennungsgasteilmenge II den Düsen- und Radwirkungsgrad
zu erhalten, der bei der Verarbeitung der Verbrennttngsgasteilmenge I entsteht,
muß also das Erweiterungsverhältnis der die Verbrennungsgasteilmenge II verarbeitenden
Düse anders, und zwar geringer sein wie das Erweiterungsverhältnis der die Verbrennunigsgas.teilmenge
I verarbeitenden Düse. Ebenso muß die Umfangsgeschwindigkeit der die Verbrennungsgasteilmenge
II verarbeitenden Beschaufelung anders und zur Erreichnung desselben günstigen Verhältnisses
zwischen Umfangsgeschwindigkeit und Strahlgeschwindigkeit geringer sein; wie die
Umfangsgeschwindigkeit der die Feuergasteilmenge I verarbeitenden Beschaufelung.
Was für die Verbrennungsgasteilmengen I und II ausgeführt worden ist, gilt sinngemäß
für die Verbrennungsg_asteilmengen II und III bzw. III und IV.
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Es zeigt sich also, daß zur Erzielung günstigster Wirkungsgrade infolge
der erheblich wechselnden Strahlgeschwindigkeiten dieser vier Verbrennungsgasteilmengen
vier Düsen-und Beschaufelungssätze erforderlich werden, die nach ihren Erweiterungsverhältnissen
und Umfangsgeschwindigkeiten den verschiedenen Zuständen der Verbrennungsgasteilmengen
angepaßt sind. Bei vollkommenster Durchführung des Erfindungsgedankens würden also
erfindungsgemäß die Teilmengen I-IV in vier Turbinenrädern angehörenden Beschaufelungen
zu verarbeiten sein, und die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrenswürde sich dadurch kennzeichnen, daß je Verpuffttngskammer vier Ausströmorgane
zur Eröffnung und zum Abschluß von Düsen angeordnet sind, welche die je Arbeitsspiel
erzeugten und aus der Verpuffungskaminer ausströmenden Verbrennungsgase in vier
Teilmengen zu den zugeordneten Beschaufelungen entlassen, wobei diese Beschaufelungen
wieder vier Turbinenrädern angehören. Da eine derartige Anordnung jedoch zu unnötig
verwickelten Ausbildungen der Turbinenstufen führen, verwertet das Ausführungsbeispiel
die weitere Erkenntnis, daß der Unterschied der Strahlgeschwindigkeiten zwischen
der Verbrennun:gsgasteilmenigen I und II bzw. III und IV nicht so groß ist, daß
er zur Erzielung eines befriedigenden Wirkungsgrades nur durch Anordnung geänderter
Umfangsgeschwindigkeiten überbrückbar wäre. Die gegenseitigen Abweichungen in, den
Strahlgeschwindigkeiten dieserVerbrennungsgasteihnengen sind vielmehr so gering,
daß der sich aus Abb.2 ergebende Unterschied zwischen dem Wirkungsgrad einkränziger
und zweikränziger Laufräder bei demselben Verhältnis der Umfangs- zur Strählgeschwindigkeit
nutzbar gemacht werden kann, um diesen Unterschied unter weitgehendster Vereinfachung
der Turbinenbauart zu überbrücken. Es ergibt sich nämlich, daß ein einkränziges
Laufrad bei einer geringeren Strahlgeschwindigkeit annähernd denselben Wirkungsgrad
gewährleistet wie das zweikränzige Laufrad, das bei der gleichen I ,mfangsgeschwindigkeit
Verbrennungsgase höherer Strahlgeschwindigkeitverarbeitet. Es
brauchen
daher die die Verbrennungsgasteilmengen I und II bzw. III und IV verarbeitenden
Düsen verschiedenen Erweiterungsverhältnisses nicht verschiedene Laufräder verschiedener
Umfangsgeschwindigkeiten zu beaufschlagen, sondern es genügt die Abschirmung der
hinteren Laufkränze bzw. des zweiten Laufkranzes bei mehrkränzigen bzw. zweikränzigen
Laufrädern im Bereiche der Düse, welche die Feuergasteilmengen II bzw. IV verarbeitet,
-wenn sämtliche Schaufelkränze desselben Laufrades die Verbrennungsgasteilmengen
I bzw. III verarbeiten.
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Die Abb. 3 bis 5 zeigen eine Turbinenbauart, bei welcher von diesen
den Gesamtaufbau der Turbine weitgehendst vereinfachenden Erkenntnissen Gebrauch
gemacht ist. Es bezeichnet zunächst 5 das Ausströmorgan der Verpuffungskammer 9,
das die Verbrenn:un:gsgasteilmenge I in die Düse io mit verhältnismäßig starkem
Erweiterungsverhältnis unmittelbar nach der Verpuffung entläßt. Das Ausströmorgan
5 öffnet sich also im Punkte r der Abb. i und schließt sich im Punkte 2. Die über
Düse 1o zugelassenen. Verbrennungsgase beaufschlagen das zweikränzige Curtisrad
i5; ein Umkehrschaufelkranz 16 bewirkt dabei die erforderliche Umlenkung der Verbrennungsgase.
Nachdem sich das Aus.strömorgan 5 im Punkte 2 der Abh. i geschlossen hat, öffnet
sich das Ausströmorgan 6, um die Verbrennungsgasteilmenge II über die Düse i i zum
Laufrad 15 hin zu entlassen; die Düse i i besitzt dabei entsprechend der gesunkenen
Strahlgeschwindigkeit der Feuergasteilmenge II ein geringeres Erweiterungsverhältnis
wie die Düse i o. Da das Laufrad 15 vor .der Düse i i dieselbe Umfangsgeschwindigkeit
wie vor der Düse i o hat, andererseits eine Anpassung an die verringerten Strahlgeschwindigkeiten
der Feuergase erfindungsgemäß vorgenommen werden. soll, ist die hintere Schaufelreihe
durch eine schirmartige Vorrichtung 17, die an die Stelle der Leitschaufeln 16 tritt,
vor dem Zutritt der über Düse i i entlassenen Verbrennungsgase gesichert. Es wird
also lediglich die erste Schaufelreihe des Curtisrades 15 beaufschlagt, wobei entsprechend
der Darstellung der Abb.2 annähernd derselbe Radwirkungsgrad zu erwarten ist, der
vor der Düse 1o infolge der Beaufschlagung sämtlicher Schaufelreihen durch die Verbrennungsgase
höherer Strahlgeschwindigkeiten eintritt. Im Zustandspunkte 3 der Abb. i schließt
sich das Ausströmorgan 6, und es öffnet sich das Ausströmorgan 7, das die Verbrennungsgasteilmenge
III über die Düse 12 zum zweikränzigen Curtisrad 18 hin entläßt. Auch in diesem
Curtisrad 18 nimmt eine Leitschaufelreihe i9 die erforderliche Umlenkung der Verbrennungsgase
vor. Die Strahlgeschwindigkeiten der Verbrennungsgasteilinenge III sind im Verhältnis
zu denen der Verbrennungsgasteilinengen I und II so gesunken., daß nicht nur eine
erhebliche Abnahme des Erweiterungsverhältnisses in der Düse 12 erforderlich ist,
sondern eine entsprechende Reduzierung der Umfangsgeschwindigkeit des Curtisrades
18 vorzunehmen ist. Sind die Curtisräder 15 und 18,
wie dies Abb. q.
und 5 andeuten., durch eine gemeinsame Turbinenwelle gekuppelt, so erreicht man
die Verminderung der Umlaufgeschwindigkeit des Curtisrades 18 durch eine entsprechende
Verringerung seines Durchniessers im Verhältnis zum Durchmesser des Curtisrades
15. Die Abb. q. und 5 deuten diese Durchmesserverminderung an. Im Zustandspunkte
.4 der Abb. i schließlich schließt sich das Ausströmorgan;, und es öffnet sich das
Ausströmorgan B. Die Verbrennungsgase strömen der ersten Schaufelreihe des Curtisrades
18 über eine Düse 13 zu; die zweite Schaufelreihe des zweikränzigen Curtisrades
18 ist durch einen Schirm 14 von der Beaufschlagung durch .die Verbrennungsgase
abgeschlossen. Die Düse 13 ist nur noch -wenig oder gar nicht mehr erweitert, da
unmittelbar-nach dem Zustandspunkte d., d. h. nach einem ganz geringen Druckgefälle,
bereits die Spülung einsetzt, so daß die Düse 13 hauptsächlich zur Entfernung der
restlichen Verbrennungsgase dient.