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Verfahren zum Betrieb von Verpuffungsbrennkraftturbinen und Verpuffungsbrennkraftturbine
zur Durchführung des Verfahrens Bei Brennkraftturbinen, insbesondere Verpuffungsbrennkraftturbinen,
verdichtet man die Arbeitsmittel vor Eintritt in die Brenn- bzw. Verpuffungskammern,
um die spezifische Leistung je Raumeinheit des Kammerinhaltes zu steigern und die
Wärmeübergänge zu vermindern. Diese Verdichtung stellt jedoch negative Arbeit dar,
die somit durch Verwirklichung möglichst hoher Wirkungsgrade bei der Verdichtung
so klein wie möglich zu halten ist. Dabei hat sich gezeigt, daß für die bisher zur
Anwendung gekommenen Turbinengrößen die üblichen Fliehkraftverdichter einen zu schlechten
Wirkungsgrad aufweisen. Andererseits sind Kolbenverdichter in Verbindung mit Brennkraftturbinen
deshalb nicht geeignet, weil sie die Nachteile der Kolbenmaschinen in die Turbinenanlage
hineinbringen.
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Für kleinere Fördermengen konnte ein Ausweg durch Verwendung von Drehkolbenverdichtern
gefunden werden, die einen sehr guten Wirkungsgrad aufweisen. Sie kommen daher mit
Rücksicht auf die Fördermenge hauptsächlich für die zweite Verdichtungsstufe bei
höherer Vorverdichtung in Betracht und sind demgemäß auch bereits in Vorschlag gebracht
worden. Für größere Fördermengen, insbesondere also für die erste Verdichtungsstufe,
hat sich neuerdings der Axialverdichter eingeführt. Dieser ergibt, wenn er auf dem
richtigen Punkt seiner Charakteristik arbeitet, sehr hohe Wirkungsgrade.
Kolbenverdichter
und auch Drehkolbenverdichter fördern ein durch Hubvolumen und Drehzahl festgelegtes
Ansaugevolumen. Findet das angesaugte Volumen in den Brenn- bzw. Verpuffungskammern
jedoch keinen Platz, so steigt selbsttätig der Förderdruck, bis das Ansaugevolumen
auf den zur Verfügung stehenden Kammerraum zusammengedrückt ist. Überraschenderweise
weisen nun die Axialverdichter eine so starke Abhängigkeit des Förderdruckes vom
Ansaugev olumen auf, daß ihre Charakteristik in der Nähe des günstigsten Förderpunktes
praktisch mit derjenigen der Kolbenverdichter übereinstimmt.
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Diese im Diagramm durch einen steilen Verlauf der Charakteristik zum
Ausdruck kommenden Eigenschaften der Drehkolben- und Axialverdichter führen nun
gerade in Verbindung mit Verpuffungskammern, wie sie vorzugsweise zum Betriebe von
Verpuffungsbrennkraftturbinen Anwendung finden, zu Schwierigkeiten. Bekanntlich
werden die Verpuffungskammern periodisch aufgeladen; ebenso periodisch werden die
Ladungen entzündet und die Brenngase entladen. Dabei werden die Betriebsmittel stoßweise
entnommen. Je nach dem Verlauf der Entnahme sind also sprunghafte Druckänderungen
hinter den Verdichtern die Folge. Damit wird der Betrieb nicht nur unwirtschaftlich,
sondern auch unzuverlässig, da die Verdichter die geförderten Betriebsmittelmengen
in die Verpuffungskammern hineinzudrücken suchen, ohne daß diese Mengen durch die
Öffnungszeiten der Ventile genau bestimmt wären. Ist die Ventilerhebungszeit zu
kurz, so vergrößert sich der Förderdruck; ist sie zu lang, so fällt er. Werden also
mehrere Verpuffungskammern durch den gleichen Verdichter mit Betriebsmitteln versorgt,
so müssen Ungenauigkeiten in der Betriebsmittelverteilung auftreten.
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Der Erfindung ist die Aufgabe gestellt, die so dargestellten Schwierigkeiten
zu beseitigen. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betriebe von Verpuffungsbrennkraftturbinen
mit mehreren, vorzugsweise vier Verpuffungskammern, deren Arbeitsspiele in bekannter
Weise gegeneinander versetzt sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einströmsteuerphasen
gleicher verdichteter Betriebsmittel, insbesondere der den Brenngasrest aus den
Verpuffungskammern verdrängenden Ladeluft, von Verpuffungskammer zu Verpuffungskammer
unter Vermeidung von Pausen und Überschneidungen schließend aneinandergereiht werden.
Sind also beispielsweise bei einer Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage vier Verpuffungskammern
vorgesehen, so erzielt man eine völlig gleichmäßige Entnahme der Betriebsmittel,
wenn die Betriebsmitteleinlaßventile der vier Verpuffungskammern abwechselnd über
go° eines mit 36o° angenommenen Arbeitsspieles geöffnet werden, ohne daß sich die
Eröffnungsphasen gegenseitig überdecken oder Pausen zwischen ihnen auftreten.
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Während man ohne Anwendung dieses Verfahrens genötigt war, Verdichter
mit allzu steiler Fördercharakteristik trotz hoher Wirkungsgrade zu vermeiden, weil
die eingangs dargestellten Sehwierigkeiten eintraten, besteht erfindungsgemäß nunmehr
die Möglichkeit, Verdichter mit bei Änderung der Fördermenge stark veränderlichem
Förderdruck, -also reit steiler Charakteristik, mit bestem Erfolg zu verwenden.
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In weiterer Durchführung des Erfindungsgedankens kann von dieser Eigenschaft
sogar Gebrauch gemacht werden, um am Ende der Aufladung jeder Verpuffungskammer
bewußt eine gewisse Drucksteigerung des Fördermittels herbeizuführen, die in der
Verpuffungskammer nutzbar gemacht wird. Demgemäß kennzeichnet sich das vorgeschlagene
Verfahren weiter dadurch, daß gegen Ende der einzelnen überdeckungslos aneinandergereihten
Einströmsteuerphasen für die den Brenngasrest verdrängende Ladeluft die während
des ersten Teiles dieser Steuerphasen zunächst noch offen :gehaltenen Auslaßorgane
der Verpuffungskammern bereits vor Ende der zugehörigen Einströmsteuerphase geschlossen
werden. Durch diese Maßnahme werden die Nachteile der steilen Charakteristik von
Kolben-und Axialverdichtern unmittelbar in Vorteile umgewandelt.
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Verpuffungsbrennkraftturbinen zur Durchführung der geschilderten Verfahren
können in der verschiedensten Art und Weise ausgebildet sein. Sie kennzeichnen sich
vorzugsweise durch Anordnung von Verdichtern mit bei Änderung der Fördermenge stark
veränderlichem Förderdruck, also steiler Charakteristik, in Verbindung mit einer
Steuerung für mehrere Verpuffungskammern, die die Einströmsteuerphasen gleicher
Betriebsmittel, insbesondere der den Brenngasrest verdrängenden Ladeluft, von Verpuffungskammer
zu Verpuffungskammer unter Vermeidung von Pausen und Überdeckungen, also schließend,
aneinanderreiht.
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Die Zeichnung zeigt die Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Verfahrens an Hand der Indikator- und Ventilerhebungsdiagramme einer Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage
mit vier bezüglich ihrer Arbeitsspiele gegeneinander versetzten Verpuffungskammern.
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In der Zeichnung ist das Indikatordiagramm der zunächst betrachteten
Verpuffungskammer in stark ausgezogener Linie wiedergegeben. Unterhalb dieses ersten
Indikatordiagramms sind die Indikatordiagramme der drei anderen Verpuffungskammern
mit dünneren Linien veranschaulicht. Die Abszisse stellt den Winkel dar, den der
zugehörige Steuerdrehschieber oder die Steuerwelle für die Ventile durchläuft. Es
entspricht also einem Arbeitsspiel eine Steuerschieberverdrehung von 36o°. Die Ordinaten
stellen die Drücke innerhalb der Verpuffungskammern in Atmosphären (Atm.) dar. Aufgetragen
auf der Abszisse jedes Indikatordiagramms sind in dünnen Linien noch die Ventilerhebungsdiagramme
der Düsen-, Auslaß-, Ladeluft-, Gas- und Nachladeluftventile der Verpuffungskammern.
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Die Verwirklichung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens
verlangt bei vier im Arbeitsspiel gegeneinander versetzten Verpuffungskammern, daß
die Indikatordiagramme um go° versetzt
gegeneinander erscheinen.
Daß das bei der ausgeführten und durch die Diagramme gekennzeichneten Anlage der
Fall ist, ergibt sich aus einem Vergleich der Zündzeitpunkte untereinander, die
jeweils mit dem Zündzeitpunkt o'' zusammenfallen. Demgemäß sind auch die
Ventilerhebungsdiagramme, da die Verpuffungskammern mit einer Versetzung mit 9o°
arbeiten, bei den verschiedenen Kammern jeweils um 9o° gegeneinander versetzt. Denn
wenn die Einlaßventile entsprechend der erfindungsgemäß erhobenen Forderung Einströmzeiten,
die sich ohne Überdeckung und Pause aneinanderreihen, ergeben sollen, so darf jedes
einzelne Einlaßventil höchstens 9o° geöffnet sein. Daß dieser Forderung nachgekommen
ist, ergibt sich beispielsweise aus der Betrachtung des Ladeluftventils. Dieses
öffnet bei i65° Drehschieber- bzw. Steuerwellenverdrehung und schließt bei 255°.
Ist das Ladeluftventil des an oberster Stelle eingezeichneten Verpuffungskammerdiagramms
gerade geschlossen, so öffnet das Ladeluftventil, das zu dem unmittelbar darunter
eingezeichneten Verpuffungskammerdiagramm gehört. Das gleiche erkennt man in der
dritten und vierten Diagrammreihe und aus dem Verhältnis der vierten zur ersten
Diagrammreihe. Auf diese Weise wird erreicht, daß niemals zwei Ladeluftventile gleichzeitig
offen sind. Da sich andererseits die Ventileröffnungszeiten unmittelbar aneinanderreihen,
wird eine fast völlig gleichmäßige Entnahme von Ladeluft aus dem Verdichter erzielt.
Zur Erzeugung der Ladeluft werden durchweg Axialverdichter herangezogen, deren erster
Stufe die Ladeluft entnommen werden kann.
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Um jedoch die starke Drucksteigerung, die der Verdichter bei verringerter
Fördermenge erzeugt, günstig ausnutzen zu können, wird das Auslaßventil, über das
die Brenngase von der Ladeluft aus der Verpuffungskammer hinausgeschoben werden,
bereits bei 232° geschlossen. Der Querschnitt der Auslaßdüse ist dabei so bemessen,
daß bei der Drehschieber- bzw. Steuerwellenverdrehung von 232°, also nachdem das
Ladeluftventil auf eine Zeitspanne von 67° geöffnet war, der Brenngasrest gerade
aus der Verpuffungskammer verdrängt ist. Demgemäß kann Ladeluft nach Schluß des
Auslaßventils nur noch unter Druckerhöhung in die Verpuffungskammer eintreten, da
die Kammer bereits mit Ladeluft unter dem Druck derselben angefüllt ist. Entsprechend
der steilen Charakteristik des Verdichters kann daher die weiterhin eingeführte
Ladeluft nur noch unter Druckerhöhung in die Verpuffungskammer hineingepreßt werden.
Daß diese Druckerhöhung tatsächlich eintritt, ist ohne weiteres aus dem Indikatordiagramm
zu entnehmen, das zwischen 232 und 25o° einen deutlich sichtbaren Druckanstieg der
Ladeluft in der Verpuffungskammer zeigt, so daß also das gewünschte Ziel erreicht
wird. Zwar tritt durch diese Maßnahme eine vorübergehende Verringerung der Förderung
des Verdichters ein. Da aber die hierdurch eintretende Druckerhöhung nutzbar gemacht
wird, bedeutet diese Maßnahme eine Verringerung der gesamten, negativen Verdichterarbeit.
In der gleichen Weise sind die Eröffnungszeiten der Gasventile bestimmt. Auch hier
reihen sich die Eröffnungszeiten unter Vermeidung gegenseitiger Überdeckungen aneinander,
so daß die Eröffnungszeiten der Gasventile jeweils 9o° betragen. Das gleiche gilt
für die Nachladeluftventile.
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Gegenüber den Ladeluftventilen besteht nur hinsichtlich der Rückwirkung
auf die Verdichterförderung insofern ein Unterschied, als die Gas- und Nachladelufteinströmungen
nur bei völlig geschlos: sener Verpuffungskammer erfolgen. Es findet also während
der gesamten Aufladung eine Drucksteigerung statt. Aber auch hier erweist sich die
Verwendung des Verdichters mit steiler Charakteristik bei der gewählten Verteilung
der Ventileröfffnungszeiten nur als äußerst vorteilhaft. Bei der Öffnung des Gasventils
sinkt naturgemäß der Verdichterdruck durch die starke Gasentnahme ab, und die Verdichterarbeit
wird verringert. Mit fortschreitender Aufladung steigt der Druck wieder an, und
es wird nur so viel Arbeit von dem Verdichter gefordert, wie für die Aufladung tatsächlich
erforderlich ist. Das gleiche gilt für die Nachladeluft. Die Förderung in die geschlossenen
Verpuffungskammern hinein geht also ähnlich vor sich, als ob ein Kolbenverdichter
unmittelbar in die Verpuffungskammern hinein als Verdichtungsraum verdichten würde.
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Was für Verpuffungsbrennkraftturbinen ausgeführt worden ist, gilt
selbstverständlich auch für die Verpuffungskammern einer Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage,