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Brennkraftmaschineuanlage mit Gasturbine.
Es ist bekanntlich die Kolbenmaschine zur Verarbeitung von Gasen von hohem Druck und hoher Temperatur geeigneter als die Turbine. Für den Antrieb des elektrischen Stromerzeugers eignet sich dagegen, besonders bei grossen Leistungen, besser die Turbine. Es ist daher für Brennkraftmaschinenanlagen bereits vorgesehlagen worden, als Hauptantriebsmasehine eine Turbine (Gasturbine) zu wählen und die Treibgase für diese in einer Kolbenmaschine zu erzeugen, wobei die Kolbenmaschine nicht nur zur Verdichtung des brennbaren Gemisches, sondern auch als Verbrennungskammer und zur Entspannung der heissen Gase auf einen für die weitere Verarbeitung in der Gasturbine geeigneten Druck benutzt wird. Diese Vereinigung von Kolbanmschine und Tarbine hat jedoch den schwerwiegenden Nachteil, dass
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jedoch Nichts gewonnen wird.
Die Abmessungen der Kolbenmaschine richten sich nämlich nicht nach der Leistung, sondern nach den vorkommenden Höchstdrücken und den Ansaugemengen des zu verarbeitenden Brennstoffgemisches. Wird z. B. die nach aussen abzugebende Leistung der Kolbenmaschine stark vermindert, indem man zur Vermehrung der Gasturbinenleistung den Ausschubdruck erhöht, bleibt dabei aber die Ansaugemenge der Kolbenmaschine die gleiche, so ändern sich die Abmessungen der Kolben- maschine so gut wie gar nicht. Soll also die Kolbenmaschine mit Vorteil zur Hilfsmaschine gemacht werden, indem man sie nur zur Treibgaserzeugung verwendet und die Lieferung der gesamten Nutzleistung einer Gasturbine überträgt, so sind erst Mittel und Wege zu finden, um diese Kolbenmaschine auch billig, platzsparend, einfach und wirtschaftlich herzustellen und zu betreiben.
Diesen Forderungen kommt einen Schritt näher die Flugkolbenmaschine. Infolge Wegfalles der Gestänge, Kurbeln, Lager usw. wird diese Maschine baulieh einfacher und billiger als die gewöhnliche Kolbemnaschine, sie erhält aber ebenfalls noch bedeutende Zylinderabmessungen, besonders, wenn die Spielzeiten und Kolbengeschwindigkeiten wegen des Mangels einer Steuerung und der zu befürchtenden Betriebsunregelmässigkeiten gering gehalten werden müssen. Eine praktische Anwendung konnten die bisherigen Flugkolbenmaschinen für den vorliegenden Zweck aber auch deshalb nicht finden, weil sie nicht gleichmässig und betriebssicher genug arbeiten.
Die erwähnten Nachteile sollen nun mit der vorliegenden Erfindung behoben werden. Gegenstand derselben ist eine Brennkraftmaschinenanlage, bei der in bekannter Weise die Treibgase für die Gasturbine, welche die Nutzleistung liefert, in einer Kolbenmaschine erzeugt werden, bei der aber die Kolbenmaschine eine Flugkolbenmaschine ist, die aus einer Brennkraftmaschine und einem Verdichter besteht und die ihre Arbeitsluft vorverdichtet erhält. Ferner soll diese Flugkolbenmaschine mit einer Vorrichtung versehen sein, die den gleichmässigen Gang derselben herbeiführt und regelt.
Durch die Vorverdichtung soll nicht nur eine Verminderung des Hubvolumens des Verdichters und der Brennkraftmaschine herbeigeführt werden, sie gibt auch, wie später noch ausgeführt wird, ein Mittel in die Hand, um Druck und Abgastemperaturen den Anforderungen der Gasturbine anzupassen. Durch die Regelvorriehtung wird das Arbeiten der Flugkolben bezüglich Einhalten ihres Weges und ihrer Spielzahlen auf mechanisch einfachste Weise erzwungen.
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die Flugkolbenmaschine, 2 die Gasturbine, die den elektrischen Hauptstromerzeuger 3 antreibt. Die Flugkolbenl1laschine besteht aus der Brennkraftmaschine, deren Kolben 4 und 5 unmittelbar mit den Kolben 6 und 7 des Luftverdiehters zusammengebaut sind.
Zur Regelung der Hubbewegung und Spiele ist eine Vorrichtung angebracht, die aus einer Scheibe 8 besteht und deren äusserer Umriss so geformt
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ist, dass bei gleichförmiger Drehung derselben die Kolben im normalen Betriebszustand die ihnen durch die Kolbenkräfte erteilte Bewegung frei ausführen können. Es arbeiten die Kolben also im Freiflug. Die Regelvorrichtung wird von einer besonderen Kraftmaschine oder durch das Schwungmoment eines auf ihrer Welle sitzenden Schwungrades in gleichmässiger Drehung gehalten. Sie überträgt im allgemeinen keine Arbeit nach aussen und dient lediglich zur Nachhilfe der Kolbenbewegung, falls in dieser irgendwelche Unregelmässigkeiten auftreten sollten.
Es könnte diese Vorrichtung allerdings auch für kleinere Arbeitsleistungen, z. B. zum Antrieb von Hilfsmaschinen verwendet werden. Die vom Aufladegebläse 9 gelieferte Luft geht im vorliegenden Beispiel in den Kolbenverdichter, wird dort auf höheren Druck gebracht und dann als Spül-und Verbrennungsluft für die im Zweitakt arbeitende Brennkraftmaschine verwendet. Die Spülluft mischt sich mit den noch heissen und hochgespannten Abgasen, die nun gemeinsam zu dem Behälter 10 und von dort zur Gasturbine 2 geführt werden.
Die Aufladung, die hohen Anfangsund Ausschubdrücke der Kolbenmaschine, ferner die durch die Regelvorrichtung ermöglichten hohen Kolbengeschwindigkeiten und Spielzahlen ergeben sehr kleine Abmessungen für die Flugkolbenmaschine, so dass diese als Hilfsmaschine geeignet, mit der Gasturbine samt allem Zubehör billiger wird und an Platz weniger beansprucht, als die gewöhnliche Kolbenmaschine (z. B. Dieselmaschine) allein. Die Flugkolbenmaschine getsattet ferner wegen der unmittelbaren Abnahme ihrer geleisteten Arbeit an der Kolbenstange die Anwendung viel höherer Kolbendrücke, als eine gewöhnliche Kolbenmaschine mit Arbeits- übertragung durch Gestänge, so dass auch der Wirkungsgrad der Anlage ein höherer werden kann.
Für die Betriebsweise einer Anlage nach vorliegender Erfindung ist aber noch folgendes wesentlich : Um mit den heutigen Baustoffen eine Gasturbine betriebsfähig zu erhalten, dürfen die Treibgase eine bestimmte Höchsttemperatur nicht überschreiten. Die Anfangstemperatur der Treibgase muss um so niedriger sein, je weniger sie in der ersten Düsenreihe der Gasturbine entspannt werden.
Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit wird man aber die Gefälle niedrig halten : Um nun die Gastemperatur auf das für die Schaufeln zulässige Mass herabzudrücken, muss die Flugkolbenmaschine entweder mit sehr wärme- armen Gemischen arbeiten oder es sind die heissen Abgase, welche die Brennkraftmaschine bei Verwendung der üblichen Gemische verlassen, mittels kälterer Luft zu kühlen. Diese Kühlung kann durch Mischung mit Luft in einem Mischraum vor der Gasturbine geschehen, sie kann aber auch, wie im gezeigten Beispiel, besonders bei im Zweitakt arbeitenden Brennkraftmaschinen, durch reichliche Verwendung von Spülluft herbeigeführt werden.
Die hiefür erforderliche Luft wird vom Kolbenverdichter geliefert, für dessen Antrieb die gesamte oder mindestens der Hauptteil der von der Brennkraftmaschine gelieferten Arbeit verwendet wird.
Das Aufladegebläse zur Vorverdichtung der Verbrenmmgs- und Spiûluft wird meist als Kreiselgebläse ausgeführt sein. Dieses im vorliegenden Beispiel von der Gasturbine angetriebene Kreiselgebläse kann auch von einer besonderen Antriebsmaschine angetrieben werden. Es kann auch ein Teil der Abgase von der Flugkolbenmaschine abgezweigt und zum Antrieb einer besonderen Gasturbine für das Aufladegebläse verwendet werden.
Es hat sich nun weiter erwiesen, dass zwischen der Vorverdichtung im Aufladegebläse, der Verdichtung im Kolbenverdichter und dem verlangten Temperatur-und Druckzustand der Treibgase der Gasturbine wichtige Beziehungen bestehen. Infolge der Abhängigkeit der Leistung der Brennkraftmaschine von der Leistung des Kolbenverdichters ergibt sich für ein bestimmtes Verdichtungsverhältnis im Kolbenverdichter auch ein gewisses Verhältnis zwischen Abgasmenge und zu verdichtender Luftmenge.
Soll das Treibmittel, das aus Abgas und Mischluft besteht, eine bestimmte Temperatur besitzen, so muss also zunächst das Verdichtungsverhältnis im Kolbenverdichter richtig gewählt sein. So zeigt sich beispielsweise, dass zur Verminderung der Treibgastemperatur auf 500-550 C, die heute als höchste betriebssichere Temperatur für die Gasturbine angesehen werden kann, das Verdichtungsverhältnis im Kolbenverdichter in der Nähe von 4-5 gelegen sein muss. Für den Druck der Treibgase vor der Gasturbine ist dagegen die Verdichtung im Aufladegebläse massgebend. Sein Druckverhältnis muss den Betrag aufweisen, um den das Entspannungsverhältnis in der Gasturbine grösser sein soll als das Ver- dichtungsverhältnis im Kolbenverdichter. Soll z.
B. der Druck der Treibgase vor der Gasturbine 12 Atm. sein und kann, aus Temperaturgründen, das Verdichtungsverhältnis im Kolbenverdichter der Flugkolbenmaschine 5 betragen, so muss das Aufladegebläse, das von einer besonderen Antriebsmasehine oder von der Gasturbine angetrieben wird, ohne Verluste ein 2-4faches Verdichtungsverhältnis ergeben Die Einführung des Vorverdichters bzw. die Verteilung der Verdichtung auf Vorverdichter und Kolbenverdichter spielt somit eine zur praktischen Durchführung des Betriebes vorliegender Brennkraftmaschinenanlage massgebende Rolle.
Gegendruck der Brennkraftmasehine, Enddruek der Verdichtung der Luft und Druck vor Gasturbine sind im allgemeinen gleich hoch. Die kleinen, etwa bestehenden Druckunterschiede sind nur durch Strömungs-und Drosselverluste bedingt. Der Enddruck der Expansion der Gase im Zylinder der Brennkraftmaschine ist dagegen meist sehr viel höher als der Gegendruck ausserhalb der Zylinder. Die Höhe dieses Druckes ist dadurch bedingt, dass die Expansion friihzeitig unterbrochen werden muss, da die Zylinderinhalte zu Beginn der Verdichtung und zu Beginn des Auspuffes aus konstruktiven Gründen normalerweise gleich gross sind und durch das Volumen der Ladung bestimmt werden. Durch den ver-
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früchten Auspuff geht ein Teil nutzbarer Energie verloren, die, in Wärme umgesetzt, die Auspuffgastemperatur unnötig erhöht.
Dieser Nachteil kann nun behoben werden, wenn man die Möglichkeit bietet, dass der Zylinderinhalt zu Beginn des Auspuffes grösser ist als zu Beginn der Verdichtung. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass man beispielsweise bei Ventilmaschinen die Einlassventile zu Beginn des Verdichtungshubes noch einige Zeit geöffnet hält, bei Maschinen mit Schlitzsteuerung aber ein gesteuertes Ventil anbringt, das beim Rüekgehen des Kolbens einen Teil der Ladung wieder in den Spüloder Ladeluftbehälter oder sonst an eine geeignete Stelle zurückströmen lässt.
Hoch aufgeladene Brennkraftmasehinen, bei denen der Auflade-und Gegendruck durch den Druck vor der Gasturbine bestimmt werden, erhalten so kleine Zylinderabmessungen, dass die durch die verlängerte Expansion bedingte Zylindervergrösserung leicht in Kauf genommen werden kann. Anderseits bringt die erzielbare Mehrleistung der Brennkraftmaschine, die grössere Luftmenge für den Verdichter und die durch weitere Entspannung und grössere Mischluftmenge bedingte tiefere Treibgastemperatur wesentliche Vorteile.
Im allgemeinen wird man in einer Anlage die Erzeugung des Treibmittels für die Gasturbine nicht
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einheiten anwenden. Die Kolbenbewegung dieser Einheiten wird man dann durch die Regelvorrichtung zeitlich so versetzen, dass die Aufnahme der Luft und die Lieferung der Treibgase möglichst gleichmässig erfolgt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Brennkraftmaschinenanlage mit Gasturbine, bei der das Treibmittel für die Gasturbine in einer Kolbenmaschine erzeugt und die Gasturbine die Nutzleistung liefert, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmaschine eine Flugkolbenmaschine ist, die aus einer Brennkraftmaschine (4, 5) und einem Kolbenverdichter (6, 7) besteht und der die Luft durch ein Aufladegebläse (9) vorverdichtet geliefert wird.