DE316420C

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Publication number: DE316420C
Application number: DENDAT316420D
Authority: DE

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 25. NOVEMBER 1919

REICHS PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE' 46 #'GRUPPE

. M. KNÖRLEIN in HALLE a. S.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 19. Juni 1917 ab.

Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Verbesserung des an sich bekannten Arbeitsvorganges zum Antrieb von Turbinen, die Energie der Verbrennungsgase auf eine Flüssigkeit zu übertragen, abgeschlossene Flüssigkeitsmengen dadurch zu beschleunigen und die erzielte Energie der Bewegung auf ein Turbinenschaufelrad wirken zu lassen.

Die bisher hierfür bekanntgewordenen Arbeitsverfahren konnten eine genügende Leistungsfähigkeit nicht entwickeln, da die Ver-, brennung oder Expansion entweder ohne \^rorverdichtung erfolgen oder eine Vorverdichtung erst durch getrennte Kompression mit besonderer äußerer Kräftezufuhr erzeugt werden mußte. Wurde dann noch der Verdichter von der Arbeitsmaschine selbst angetrieben, so konnte bei dem naturgemäß geringen Wirkungsgrad des Arbeitsverfahrens eine tatsächliche Nutzleistung kaum mehr vorhanden sein.

" Das Ziel vorliegender Erfindung besteht

, daher darin, jede getrennte Vorverdichtung mit äußerer Kräftezufuhr zu vermeiden und die für einen guten Wirkungsgrad dennoch nötige Vorverdichtung der Verbrennungsgase im Arbeitsverfahren selbst unter Vermeidung jeden Umweges über Gestänge und Kurbelwellen wenigstens zum Teil zu erreichen.

Die vorliegende Erfindung bedient sich nach Fig. ι einer Anzahl offener Kanäle, zweckmäßig Röhren a, in die von der einen Seite durch ein zweckmäßig ausgebildetes Verteilungsrad b abwechselnd eine Anzahl Flüssigkeitskolben c und brennbare Gemischkolben d ohne Überdruck eingeführt werden. ^; Das Verteilerrad b wird zu diesem Zwecke mit einer Umdrehzahl angetrieben, die jede zusätzliche Beschleunigung der Wasser- und Gaskolben nach Möglichkeit vermeidet. Außerdem arbeitet das Verteilerrad mit partiellem Ausguß. An dem nicht arbeitenden Teil des Umfanges ist es abgedeckt oder massiv ausgeführt, so daß nach beendeter Einführung der Kolben c und d in die Arbeitskanäle α durch Vortritt des abgedeckten Teils des Umfanges ein selbsttätiger Abschluß der Eintrittsmündungen der Kanäle ά erfolgt.

Im geeigneten Zeitpunkt wird die Entzündung des vordersten Gemischkolbens d¹, beispielsweise durch Stromabnahme von der sich drehenden Welle e aus eingeleitet, Die durch die Verbrennung erzeugte Druckerhöhung entsendet nun nicht nur den vordersten Flüssigkeitskolben c¹ mit Beschleunigung, sie wirkt auch rückwärts auf die nächstfolgenden c², c⁸ usw., drängt sie zurück und veranlaßt rückwirkend eine Vorverdichtung aller nachfolgenden Gemischkolben d², d^s usw., ohne daß hierzu äußere mechanische Arbeit aufgewendet werden müßte.

Wird nun während des Zurückweichens im geeigneten Zeitpunkt auch die Zündung des zweiten Gemischkolbens d² eingeleitet,. so wird durch die bereits vorhandene Vorver-

dichtung ein entsprechend erhöhter Verbrennungsdruck des Kolbens d² erzielt, der seinerseits wieder die ihm nachfolgenden Gemischkolben d³, dⁱ usw. entsprechend höher ver-

,5 dichtet,

Der in Fig. ι dargestellte letzte Flüssigkeitskolben c" ist zur Durchführung des Arbeitsverfahrens nicht nötig. Die . Erfindung sieht ihn jedoch als Dichtungskolben vor, da

ίο bekanntlich Flüssigkeit unter Überdruck weniger leicht durch einen Spalt entweicht als unter Überdruck stehende Gase. Naturgemäß ist auch ohnedies das Verteilerrad b mit möglichst geringem Spalt an den Ar-, beitskanälen α vorbeigeführt.

Um unnötige Verluste zu vermeiden, werden Durchmesser und Länge der Arbeitskanäle so bemessen, daß die Reibungs- und Austr.ittsverluste ein Mindestmaß darstellen.

Ist zum Beispiel die Länge der Arbeitskanäle zu groß, so wird ein nicht wieder zu gewinnender Teil der Bewegungsenergie der Flüssigkeitskolben durch Reibung im Kanal, verlorengehen. Sind die Arbeitskanäle zu kurz, wird die Expansion der Gemischkolben nach der Verbrennung unvollkommen vor sich gehen,, nur ein Teil ihrer Energie auf die Flüssigkeitskolben übertragen werden und ein großer Prozentsatz als Austrittsverlust nutzlos verschwinden. -Die richtige Bemessung der Arbeitskanäle hängt daher stets von der Größe bzw. Länge der Gemisch- und Flüssigkeitskolben sowie von der Austrittsgeschwindigkeit der Kolben und der Zündgeschwindigkeit ab. Diese Größen lassen sich durch Versuch sowohl wie durch Rechnung genau bestimmen; für jeden Betriebszustand ergibt sich hieraus eindeutig eine günstigste Größe der Arbeitskanäle, eine günstigste Aufeinanderfolge der Zündungen usw.

Die Einführung der Verbrennungsluft, des Brennstoffes und der Flüssigkeit kann, wie in Fig. ι und 2 dargestellt, in radialer Richtung von innen nach außen, oder nach Fig. 4 in

4-5 rein achsialer Richtung erfolgen. Alle Zwischenstufen sind möglich. Das Turbinenlaufrad g kann in gleicher Weise in jeder Richtung, beaufschlagt werden, unabhängig von der Achsrichtung der Kanaleintrittsmündungen, wie in Fig. 5 bis 8 schematisch dargestellt ist. Durch Verbindung eines großen Verteilerraddurchmessers mit einem kleinen Turbinenlaufraddurchmesser oder umgekehrt kann jedes Übersetzungsverhältnis der Umdrehzahlen der Verteiler- und Turbinenwellen erzielt werden. Die Anordnung der Arbeitskanäle α nach Fig. 4 \vindschief und symmetrisch zur Achsrichtung,. d. h. in Form eines Paraboloides, hat den besonderen Vorteil, daß einfache gerade Röhren verwandt werden, können, die. auch die kleinsten Widerstände j und Verluste in sich bergen. Die Verwendung von Turbinenrädern mit radialer Beaufschlagung ist andererseits mitunter wegen der bequemeren Unterbringung mehrerer Turbinenräder nebeneinander auf einer Welle vorteilhaft.

Es können auch einzelne oder alle Arbeits-[ kanäle mit den Austrittsenden zur Leistungsmessung oder zur Beaufschlagung eines Rückwärtsrades zwecks Veränderung der Drehrichtung derselben Welle während des j Betriebes aus ihrer Lage gebracht werden.

Der in Fig. 4 beispielsweise dargestellte Kühler k hat den Zweck, die Abgase zu kühlen, die gegebenenfalls zur Verdampfung gelangten Wasserteilchen zu kondensieren und dem Verbrauchstank wieder zuzuführen, die Abgasse selbst aber gekühlt durch den Auspuff / zu weiterer Arbeitsleistung oder ins' Freie zu entsenden.

AVichtig für alle Ausführungen ist die Möglichkeit, für die Arbeitskanäle, in denen ! Verdichtung, Verbrennung und Ausdehnung erfolgt, ein Material wie Steingut, Porzellan, Glas usw. zu verwenden.
. Röhren verhältnismäßig kleinen Durchmessers sind sehr widerstandsfähig gegen . hohe Innendrücke. Durch eine Umspinnung mit Draht oder satte Einbettung in. Metall kann überdies die mechanische Festigkeit , von Röhren erhöht werden. Durch äußere Kühlung mittels Wassers kann die mittlere Temperatur der Röhren stets in zulässigen Grenzen gehalten werden, während die Innen- ⁹S Seiten abwechselnd hohen und tiefen Temperaturen ausgesetzt sind. Infolge der geringen Wärmeleitfähigkeit ist die Wärmewanderung von innen nach außen gering, während bei der geringen Wandstärke der Röhren Wärmespannungen im Rohrmaterial nicht auftreten können.

Die Turbine kann bei getrenntem Antrieb des Verteilerrades durch Ingangsetzen des Hilfsmotors des Verteilerrades und Anstellen der Zündungen angelassen werden. Die Erfindung sieht jedoch auch eine Hilfsanlaßvorrichtuug vor, bei der nach Fig. 11 Druckflüssigkeit aus einem Druckbehälter O durch ein oder mehrere Düsen r auf das Turbinenlaufrad g geleitet wird. Um unnütze Brenn-.-Stoffvergeudung hintanzuhalten und unge-^ wollte Explosionen . im Turbinengehäuse zu vermeiden, wird bei der Erfindung gleichzeitig mit dem Öffnen des Zulaufventils der ^1J-5 Druckflüssigkeit durch das Handrad p und das Gestänge q auch der Zufluß des brennbaren Gemisches h geschlossen.

Statt des üblichen Mittels für Hilfsflüssigkeitskolben, nämlich Wasser, kann man auch Brennstoff selbst oder Schmieröl verwenden. Bei der Benutzung von Schweröl als

Brennstoff bietet dessen gleichzeitige Verwendung als- Hilfsflüssigkeit den nicht zu unterschätzenden Vorteil der Einheitlichkeit. . Bei der geringeren Wärmeleitfähigkeit von Öl gegenüber Wasser werden . auch die Wärmeverluste geringer sein. Ein Verbrennen der Oberfläche der Ölkolben kann nur in geringem Maße und dann nur bei Anwesenheit von Sauerstoff eintreten und wirkt erhöhend auf die Arbeitsfähigkeit des betreffenden Gemischkolbens ein.

Bei Ausführungen im großen kann auch eine vorherige Aufbereitung des Brennstoffes gänzlich wegfallen und direkt Schweröl in die einzelnen angesaugten Luft- oder Sauerstoff kolben eingespritzt werden. Es kann auch ohne weiteres Gichtgas, Leuchtgas,. Sauggas oder ein anderes beliebiges mechanisch erzeugtes .Gasgemisch verwandt werden. Es

20, kann die Verbrennungsluft und das Ladegemisch vor Einführung in die Arbeitskanäle zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades vorgewärmt oder zur Erhöhung der spezifischen Leistung vorgekühlt werden. Besondere Vorteile bietet auch das Arbeiten mit vorgewärmter Flüssigkeit und vorgewärmter Gemischzufuhr, mit Gegendruck und besonderer Niederdruckturbine zur Ausnutzung des Niederdruckgefälles. Es wird hierbei vor allem ein guter AVärmezustand der Maschine erzielt, der. von grundlegender Bedeutung für die Höhe des Wirkungsgrades ist, und andererseits das .Niederdruckgefälle der Gase in altbewährter, nicht zu übertreffender Weise ausgenützt. Zudem wird noch ein Ver-' dampfen der Flüssigkeitskolben infolge des höheren Druckzustandes verringert. Das nach dem Austritt aus der Hauptturbine noch vorhandene . Arbeitsvermögen in Form von Energie der Bewegung kann nach Fig". 10 ohne weiteres beim Wiedereintritt in das Flüssigkeitsverteilerrad « wieder verwandt werden. Es kann auch mit Abwärmegewinnung oder mit teilweiser Vorverdichtung der Verbrennungsluft und des brennbaren Gemisches gearbeitet werden.

Claims

Patent-Ansprüche:

i. Verfahren zürn Betrieb von Brennkrafttürbinen mittels Hilfsflüssigkeiten, bei denen die Expansionsenergie entzündeter Gasgemische auf Hilfsflüssigkeitskolben übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl Gas- und Flüssigkeitskolben abwechselnd hintereinan-, der in ein offenes Kanalsystem eingeführt werden, worauf die Gaskolben nach Abschluß der Eintrittsmündungen, vom vordersten, angefangen, nacheinander entzündet werden, um durch den Rückstoß des jeweils folgenden Flüssigkeitskolbens die nachfolgenden Gaskolben ohne äußeren Arbeitsaufwand stufenweise vor/ihrer Entzündung zu verdichten. (Fig. 1.)
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Dichtung nach dem Eintritt des letzten Gas-

.. gemischkolbens in einen Arbeitskanal noch ein letzter Flüssigkeitskolben eingeführt wird, der nicht zur Arbeitsübertragung dient. (Fig. 1.)
3. Verbrennungsturbine nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß gerade radial gerichtete Arbeitskanäle von innen nach außen oder von außen nach innen beaufschlagt werden, je nachdem eine im Verhältnis zur Umdrehzahl des Verteilers kleine oder große Umdrehzahl der Arbeitswelle erzielt werden soll. (Fig. 2 und 3.)
4. Verbrennungsturbine nach An- : spruch ι bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß gerade Arbeitskanäle windschief und symmetrisch zur Achsrichtung angeordnet sind und von dem Verteilerrad in ach- sialer Richtung beaufschlagt werden.

(Fig. 4.)
5. Verbrennungsturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei getrenntem Antrieb des Verteilerrades die Ein- und Austrittsdurchmesser, auf denen die Kanalmündungen liegen, verschieden groß sind, um bei einer gegebenen Umdrehzahl des Verteilerrades eine beliebige gewünschte Umdrehzahl der Arbeitswelle zu. erzielen. (Fig. 5 und 6.)
6. Verbrennungsturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskanäle ganz oder teilweise gekrümmt sind, um radiale Verteiler mit Turbinenrädern beliebiger Beaufschlagungsrichtung verwenden zu können. (Fig. 7, 8 und 9.)
7. Verbrennungsturbine nach Anspruch ι bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung der Gaskojben in einem Kanal eine Anzahl elektrischer Kontaktpaare hintereinander vorgesehen ist, die in beliebiger Gruppierung eingeschaltet und in beliebiger Reihenfolge von der Welle aus gesteuert werden können. (Fig. 1.)
8. Verbrennungsturbine nach Anspruch ι bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskanäle aus Material geringer Wärmeleitfähigkeit, wie Porzellan, Steingut, Glas usw., gebildet sind, um die Wärmeverluste durch die Wandungen gering zu halten.
9. Verbrennungsturbine nach An- iad Spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren geringer Wärmeleitfähigkeit zur

Erhöhung ihrer Widerstandsfähigkeit gegen inneren Druck mit Draht umwickelt sind, bei der Herstellung Drahteinlage erhalten, oder in eine widerstandsfähige Metallhülle eingesetzt sind.
10. Verbrennungsturbine nach Anspruch ι bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anlassen der Turbine Druckflüssigkeit aus ein oder mehreren Düsen auf das Turbinenlaufrad geleitet wird. (Fig. 10.)
11. Verbrennungsturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckflüssigkeitsbehälter zum Anlassen der Maschine während des Betriebes durch die Arbeitsmaschine selbsttätig wieder aufgefüllt wird.
12. Verbrennungsturbine, nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß während des Anlassens der Turbine der Zufluß des Verteilerrades selbsttätig abgesperrt wird. (Fig. 10.)
13. Verbrennungsturbine nach Anspruch ι bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsflüssigkeit zur Bildung der Hilfsflüssigkeitskolben und zum Anlassen außer Wasser auch Schmieröl oder Brennstoff verwendet wird.
14. Verbrennungsturbine nach Anspruch ι bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abflußleitung der Flüssigkeitskolbenturbine eine weitere Flüssigkeits-, Gas- oder Dampfturbine mit oder ohne Kondensator angeschlossen ist.
15. Verbrennungsturbine nach Anspruch ι bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das nach dem Austritt aus der Haupt-.turbine in der Hilfsflüssigkeit noch vorhandene Arbeitsvermögen beim AViedereintritt in das Flüssigkeitsverteilerrad ausgenutzt wird. (Fig. 11.)
16. 'Verbrennungsturbine nach Anspruch ι bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitskolbenturbine mit vorgewärmter Flüssigkeit, mit Gegendruck und besonderer Niederdruckturbine arbeitet, um einerseits einen guten Wärmezustand der Maschine zu erhalten, anderseits ein Verdampfen der Flüssigkeit möglichst hintanzuhälten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.