Verfahren zum Betriebe von Verpuffungskammern, insbesondere in Brennkraftturbinen. Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betriebe von Verpuffungs- kammern, insbesondere in Brennkrafttur- binen. Es hat sich gezeigt, dass Verpuffungs- brennkraftturbinen die Neigung haben, sich v an Arbeitstakt zu Arbeitsfakt zu erhitzen, so dass Vorzündungen entstehen,
die den wei teren Betrieb der Turbine verhindern. Die Turbine führt statt eines stabilen motori schen Prozesses, bei .dem die Temperaturen in den einzelnen Phasen konstant bleiben, einen labilen Heizprozess durch, bei dem sieh die Temperaturen von Spiel zu Spiel bis zu der Grenze heben, bei der die in Jie'Verpt:ffungs- kammer eingeführte frische Ladung sich sg- fort unabhängig vom vorbestimmten Zünd- zeitpunkt entzündet.
Vorliegende Erfindung setzt sich zum Ziel, das Betriebsverfahren so zu handhaben, dass die Temperaturen in den einzelnen Prozessphasen gleich bleiben und damit eine Stabilisierung der Verpuffungs- vorgänge eintritt. Die Erfindung geht dabei von tler Erkenntnis aus, dass die Labilität im Ablauf der Verpuffungsvorgänge von der mehr oder weniger grossen Bemessung der Verdrängungszeit herrührt, das heisst der Zeit,
in der bei geöffnetem AbsoIlussorgan zwischen Verpuffungskammer und Düse und bei geöffnetem Spül- bezw. Ladeluftorgan die Ausspülung der Verpuffungskammer von den Restverbrennungsgasen der vorhergehenden Verpuffung stattfindet. Die Verdrängungs zeit selbst hängt wiederum von einer Reihe von Veränderlichen ab. Als derartige Verän- derliche werden genannt: 1. Der Druck in der Au.sflussebene der Düse, das heisst der Gegendruck.
2. Der Spüldruck.
3. Das Erweiterungsverhältnis der Düse. 4. Der engste Düsenquerschnitt.
5. Die Formgebung der Kammer, ihr Ver hältnis von Länge zu Durchmesser und ihre Ansätze auf der Ein- und Ausströmseite.
6. Der Grad der Durchwirbelung .der Ver- brennungsgaise mit der nachfolgenden Ver drängungsluft. 'l. Der Wärmetausch mit den Wandungen des Düsenvorraumes und der Düse.
B. Die Temperatur der Verbrennungsgase. 9. Die zugelassene Restmenge der Ver brennungsgase, die einen Bestandteil der neuen Ladung hild.et.
Einige dieser Grössen sind in ihrer Grö ssenordnung schon durch die Bedingung fest- gelegt, dass die Brennkraftturbine nicht nur bezüglich des Ablaufes der Verpuffungsvor- gänge stabilisiert sein soll, sondern auch einen möglichst hohen Wirkungsgrad beim Ablauf der einzelnen Verpuffungsvo.rgänge aufwei sen muss. Eine derartige Regel erfasst bei spielsweise die Besti'rnmungsgrösse 4, da.s heisst den engsten Düsenquerschnitt f und die Be stimmungsgrösse 5,
das heisst den Rauminhalt der Verbrennungskammer V, wobei sie fest legt, dass dass Verhältnis f : V zwischen 40 : 1 und 100: 1 liegen muss, wenn die Verluste durch Wärmeübergang im Führungskanal zwischen Düsenventil und Düse auf einem die Wirtschaftlichkeit der Brennkraftturbine nicht beeinträchtigenden Mass gehalten wer den sollen. Die Bestimmungsgrösse f ist dabei in Quadratzentimeter. die Bestimmungsgrösse V in Kubikzentimeter gemessen.
Ebenso liegen die Bestimmungsgrössen 1 bis 3 durch bestimmte, noch zu erörternde physikalische Gesetze in ihrem gegenseitigen Verhältnis fest. Bezüglich der weiteren Bestimmungs grössen, insbesondere der Bestimmungsgrösse 9, gilt folgendes:
Die Leistung einer Brennkraftturbine ist bei gegebenem Inhalt der Verpuffungskam- mern abhängig von der .SIpielzahl, und zwar findet die Spielzahl ihre natürliche Begren zung in den Frühzündungen, deren Vermei dung mit steigender .S'pielzahl' immer schwie- riger wird.
Massgebend für .die Spielzahl ist die Verdrängungszeit, da. die übrigen Zeit masse, die mit .der Verdrängungszeit zusam men ein Arbeitsspiel bilden, durch die kon- struktiven Verhältnisse der Brennkrafttur- bine bedingt oder in Abhängigkeit von der Verdrängungszeit eindeutig festgelegt sind.
Zum Verständnis der nachfolgenden Erör terungen wird auf die Zeichnung verwiesen: Abb. 1 gibt schematisch den Zusammen hang der für den Arbeitsprozess wichtigen Teile eines Ausführungsbeispieles einer Brennkraftturbine mit Holzwarthschem Ar beitsverfahren wieder.
Es bedeutet a die Ver- puffungska.mmer, b das Einlassventil für Luft, c da.s Einla.ssventil für Brennstoff, d -das Düsenventil, g die Düse und h den Schau felkranz.
Abb. 2 stellt das typische Zeitdiagramm einer Verpuffungsturbine dar.
Im Punkte 1 erfolgt bei Abschluss aller Ventile die Zündung, der eine schnelle Drucksteigerung folgt; unmittelbar .darauf wird im Punkt 2 das Düsenventil geöffnet. Die heissen Gase strömen arbeitsleistend durch die Düse ab, hinter der der Gegendruck p" herrscht. Im Punkte 3 setzt durch Öffnung des Luftventils die Verdrängung der Rest feuergase durch Frischluft ein, wobei der Druck p in der Verpuffungskammer steigt, bis er im Punkte 4 den Druck p1, der dem Druck der Ladeluft entspricht, erreicht.
Gleichzeitig schliesst sich das Düsenventil und es setzt unter gleichem oder unter dem Ein fluss der Strahlungswärme der Kammerwan- dungen sich etwas erhöhendem Druck Brenn stoffzufuhr ein, bis im Punkte 5 auch das Brennstoffvenhl geschlossen ' wird und die neue Zündung einsetzt.
Die Zeitdauer 3 bis -l, in der Düsen- und Spülluft bezw. Lade- lüftventil gleichzeitig offen sind, wird als die -#Terdrängungszeit z bezeichnet. Damit nun diese Verdrängungszeit an und für sich möglichst klein ausfällt; ist folgend'-es zu beachten.
'Bekanntlich ist das in der Zeiteinheit aus strömende Volumen der Verbrennungsgme abhängig von dem Verhältnis Das Volu men steigt mit'waehsendem p
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solange an, bis das Druckverhältnis einen bestimmten Wert, nämlich den Wert
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des sogenannten kri tischen Verhältnisses erreicht hat,
von dem an auch durch weitere Steigerung Jes Druk- kes p keine Vergrösserung der Aus_strömmenge eintritt. Der Wert dieses kritischen Ver- hältnisses ist bei sich erweiternden Düsen, wie sie für -Turbinen als Lavaldüsen Anwen dung finden,
gegeben durch die Bezeichnung
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wobei q dem Verhältnis aas heisst dem Ver hältnis des .grössten Düsenquerschnittes
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zum kleinsten entspricht.
Abb. 3 zeigt eine graphische Darstellung dieser Formel, in der die Linie p und die Linie
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unter Voraussetzung eines Gegen druckes von po = 1,06 Atm. in Abhängig keit vom Werte
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verzeichnet ist. Man erkennt, dass, je stärker das Erweiterungs verhältnis der Düse ist, da-s heisst, je stär ker die Düse saugt, .desto kleiner der nötige Verdrängungsdruck wird.
Es gilt daher die Regel, da.ss das Verhältnis des Spülluftdruk lies zum Gegendruck oberhalb des kritischen Druckverhältnisses liegen muss, wobei das kritische Druckverhältnis seinerseits durch das Erweiterungsverhältnis der Düse bedingt ist, um in .der Zeiteinheit die grösstmögliche Verbrennungsga,smenge aus der Verpuffung:;- kammer auszutreiben, das heisst um die Ver drängungszeit auf ein Mindestmass zu be schränken.
Sind somit die Voraussetzungen ermittelt, unter denen .die Verdrängungszeit ein Kleinst- ma.ss wird, so fehlt es noch an deren Beziehung zum Rauminhalt der Verbren nungskammer und zum engsten Düsenquer schnitt, um bei gegebener Grösse dieser Kon- struktionsdaten der Brennkra.ftturbine eine Verdrängungszeit zu ermitteln, die einerseits die grösstmögliche Taktzahl, anderseits einen stabilen Ablauf :der Verpuffungsvorgänge er möglicht.
Diese Beziehung wird .gemäss der Erfindung wie folgt ermittelt:
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worin z die Verdrängungszeit in Sekunden, V der Inhalt der Verpuffungskammer in Ku bikmetern und, f der engste Düsenquerschnitt in Quadratzentimetern ist.
Versuche mit verschiedenen Kammerinhal ten von V - 0,05 bis 0,1,6 cbm, mit Verhä1t- nissen von f : V zwischen 50 und 2.49, mit Düsen mit einem Erweiterungsverhältnis von 1 bis 3,56 und mit Spüldrücken zwischen 1,08 bis 3,5.0, haben die Richtigkeit dieses Wer tes bewiesen,
wenn einesteils der durch das kritische Druckverhältnis gegebene Mindest- spüldruck überschritten und die Verdi#Ln- gungszeit z grösser wie 20 gewählt wurde. Anderseits ergab sich Labilität
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im Ablauf der Verpuffungsvorgänge, wenn die Verdräu- gungszeit kleiner .gewählt wurde, wie 20
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gleiche Labilität ergab sich, wenn die Ver drängungszeit grösser wie 20
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gewählt,
aber der durch das Erweiterungsverhältnis der Düse bedingte Mindestspüldruck unter schritten wurde.