DE619216C

DE619216C - Deflagration combustion turbine with valve-controlled annular nozzle vestibule

Info

Publication number: DE619216C
Application number: DEH132988D
Authority: DE
Original assignee: E H HANS HOLZWARTH DR ING
Current assignee: E H HANS HOLZWARTH DR ING
Priority date: 1932-08-24
Filing date: 1932-08-24
Publication date: 1935-09-28
Also published as: FR761253A

Description

Verpulfungsbrennkraftturbine mit ventilgesteuertem ringförmigem Düsenvorraum Es ist bekannt, daß sich durch Anwendung erhöhter Drehzahlen im Turbinenbau technisch-wirtschaftliche Vorteile erzielen lassen. Nicht nur werden bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit die Durchmesser der Turbinenräder entsprechend der Erhöhung der Drehzahl kleiner und damit die Gewichte und Herstellungskosten der Maschine geringer, sondern es ergeben sich vor allem strömungstechnische Vorteile. Selbst bei kleinen Leistungen kann der dem Durchmesser entsprechend verkleinerte Umfang auf seiner vollen Länge beaufschlagt werden, ohne daß die Schaufeln unzulässig kurz werden. Hierdurch fallen die Ventilationsverluste fort, welche entstehen, wenn Teile des Umfanges des umlaufenden Rades unbeaufschlagt bleiben. Es fallen weiter die Auffüll- und Entleerungsverluste der Beschaufelung fort, welche bei jeder Umdrehung auftreten müssen, wenn die Beschaufelung unterbrochen wird.Pulping combustion turbine with valve-controlled annular nozzle antechamber It is known that by using increased speeds in turbine construction, technical-economic Let benefits be achieved. Not only are the The diameter of the turbine wheels is smaller and smaller according to the increase in speed so that the weights and manufacturing costs of the machine are lower, but instead result especially aerodynamic advantages. Even with small achievements the circumference, reduced according to the diameter, is applied over its full length without the blades becoming impermissibly short. This reduces ventilation losses continue, which arise when parts of the circumference of the rotating wheel are not acted upon stay. The filling and emptying losses of the blading continue to fall continue, which must occur with each revolution when the blading is interrupted will.

Es scheint verhältnismäßig naheliegend zu sein, von diesen Erkenntnissen auch im Verpuffungsbrennkraftturbinenbau Gebrauch zu machen. Der Anwendung der Erkenntnisse stellen sich aber Schwierigkeiten entgegen, welche zunächst unüberwindlich erscheinen. Die Hauptschwierigkeit entsteht dabei dadurch, daß sich beim Übergang von den bisher gebräuchlichen Düsensegmenten zu Ringdüsen Düsenvorräume ergeben würden, welche jede Wirtschaftlichkeit des Betriebes von Verpuffungskraftturbinen ausschließen würden. Denn es ist bereits festgestellt worden, daß diese Düsenvorräume, nämlich die Räume zwischen den gesteuerten Auslaßventilen für die hochgespannten Verbrennungsgase, kurz Düsenventile genannt, und den durch die Verbrennungsgase beaufschlagten Düsen, nach Inhalt und Oberfläche sehr klein gehalten werden müssen, um den die Wirtschaftlichkeit des Turbinenbetriebes bestimmenden Wärmeübergang- 'im Düsenvorraum klein zu halten. Schon bei der üblichen Beaufschlagung nur eines Teils des Turbinenradumfanges bedarf es besonderer Maßnahmen, um den Düsenvorraum klein zu halten und dadurch wesentliche Erhöhungen des Turbinenwirkungsgrades zu erzielen. Dazu kommt die Notwendigkeit, gewisse konstruktive Erfordernisse voll und ganz erfüllen zu müssen, um die außerordentlich hohen Temperaturbeanspruchungen der die Düsenvorräume bildenden und an ihn angrenzenden Turbinenteile auszugleichen. Es erschien daher zunächst völlig aussichtslos, eine Ausbildung des Düsenvorraumes zu finden, welche es ermöglicht, bei genügend kleinem Rauminhalt und kleiner Oberfläche die Gase von dem Austrittsquerschnitt des Düsenventils in die Düsenanordnung zu überführen, welche sich bei gleichzeitiger Beaufschlagung des ganzen Umfanges von Turbinenrädern, insbesondere hoher Drehzahl, ergibt.It seems relatively obvious from these findings to make use also in the construction of deflagration turbines. Applying the knowledge however, difficulties arise which at first appear insurmountable. The main difficulty arises from the fact that the transition from the previous common nozzle segments to ring nozzles would result in nozzle vestibules, which exclude any profitability of the operation of deflagration power turbines would. Because it has already been established that these nozzle vestibules, namely the spaces between the controlled exhaust valves for the high-pressure combustion gases, briefly called nozzle valves, and the nozzles acted upon by the combustion gases, must be kept very small in terms of content and surface in order to reduce the economic efficiency of the turbine operation determining heat transfer 'in the nozzle vestibule to keep small. Even with the usual loading, only part of the turbine wheel circumference is required there are special measures to keep the nozzle vestibule small and thus essential To achieve increases in turbine efficiency. In addition there is the need to have to fully meet certain design requirements in order to make the extraordinary high temperature stresses on the nozzle vestibules forming and adjoining it Balance turbine parts. It therefore seemed completely hopeless at first, a To find the formation of the nozzle vestibule, which makes it possible with sufficiently small Volume and small surface area the gases from the outlet cross-section of the nozzle valve to transfer into the nozzle arrangement, which is when applied at the same time the entire circumference of turbine wheels, especially high speed, results.

Gemäß vorliegender Erfindung kann nun eine Anordnung vorgeschlagen werden, welche sämtlichen thermodynamischen und mechanischen Erfordernissen genügt, womit gleichzeitig die eingangs dargelegten Fortschritte turbinentechnischer Natur auch bei Verpuffungsbrennkraftturbinen verwirklicht werden können. Erfindungsgemäß vorgeschlagene Verpuffungsbrennkraftturbinen mit ventilgesteuertem, ringförmigem Düsenvorraum kennzeichnen sich durch Anordnung des ringförmigen Düsenvorraumes zwischen zwei Zylindermänteln, deren Verlängerungen einen Raum umschließen, den die Feuergaszuführung im wesentlichen einnimmt. Bei einer derartigen Anordnung kann vier Düsenvorraum auf ein bisher nicht erreichtes Kleinstmaß verringert werden, so daß sein Durchmesser etwa dem Durchmesser einer Verpuffungskammer entspricht; trotzdem wird. die gleichzeitige Beaufschlagung des ganzen Umfanges des Turbinenrades gewährleistet. Der Düsenvorraum selbst kann dabei sowohl als geschlossener wie als segmentförmig unterteilter Ringraum ausgestaltet sein, während der dem ringförmigen Düsenvorraum zugeordnete, gleichzeitig beaufschlagte Düsenbogen zur gleichzeitigen Vollbeaufschlagung des Turbinenlaufrades zweckmäßig ringförmig geschlossen auszubilden ist.According to the present invention, an arrangement can now be proposed be, which all thermodynamic and mechanical requirements suffices, with which at the same time the advances in turbine technology presented at the beginning Nature can also be realized with deflagration combustion turbines. According to the invention proposed deflagration combustion turbines with valve-controlled, annular The nozzle vestibule is characterized by the arrangement of the annular nozzle vestibule between two cylinder jackets, the extensions of which enclose a space for the fire gas supply essentially occupies. With such an arrangement there can be four nozzle vestibules be reduced to a previously unachievable minimum size, so that its diameter corresponds approximately to the diameter of a deflagration chamber; anyway will. the simultaneous Acting on the entire circumference of the turbine wheel is guaranteed. The nozzle vestibule itself can be used either as a closed or as a segment-shaped subdivided annular space be designed while the annular nozzle antechamber associated with the same time pressurized nozzle bends for simultaneous full pressurization of the turbine impeller is expediently designed to be closed in a ring shape.

Ringförmige Düsenräume an sich sind zwar bereits bekanntgeworden. Bei derartigen Anordnungen lagen jedoch außer den Feuergaszuführungen wesentliche Maschinenteile innerhalb des Zylindermantels, dem der ringförmige Düsenvorraum angehört, so däß bei der bekannten Anordnung die durch derartige ringförmige Düsenvorräume grundsätzlich eröffnete Möglichkeit der Verringerung des Düsenvorraumes nach Oberfläche und Inhalt trotz gleichzeitiger Beaufschlagung des gesamten Turbinenradumfanges nicht erkannt und ausgenutzt- war; es führte im Gegenteil die Erfüllung der derartigen Düsenvorräumen gesetzten Aufgabe eines Druckausgleiches der in mehreren Verbrennungskammern erzeugten Verbrennungsgase zu besonders großen Düsenvorräumen mit allen ihren -Nachteilen.Annular nozzle spaces per se are already known. In such arrangements, however, apart from the fire gas supplies, there were essential factors Machine parts within the cylinder jacket, to which the annular nozzle antechamber belongs, so that in the known arrangement the annular nozzle vestibules of this type basically opened up the possibility of reducing the nozzle antechamber according to the surface and content despite simultaneous application of the entire circumference of the turbine wheel was not recognized and exploited; on the contrary, it led to the fulfillment of such Nozzle vestibules set the task of pressure equalization in several combustion chambers generated combustion gases to particularly large nozzle vestibules with all their disadvantages.

Besonders einfach gestaltet sich die Verwirklichung erfindungsgemäß ausgebildeter Düsenvorräume mittels eines- vorzugsweise konzentrisch zur Läuferachse angeordneten zylindrischen Körpers und eines diesen mit Abstand umgebenden Ringkörpers. - Der zylindrische Körper kann dabei vom Kopfstück der Verpuffungskammer oder der Verpuffungskammern gebildet werden. Da eine oder zwei Verpuffungskammern in den meisten Fällen zur Erzeugung der zur Beaufschlagung erforderlichen Verbrennungsgasmengen ausreichen, ergibt sich eine äußerst gedrungene Bauart, wenn diese Kammer oder vorzugsweise parallel zueinander angeordnete Kammern in bezug auf die zugeordneten Düsenventile so angeordnet werden, daß die Kammerachse die Läuferachse schneidet, insbesondere rechtwinklig zu ihr liegt, wenn die Düsenventilachse parallel oder konzentrisch zur Läuferachse verläuft, oder daß die Ventilachse die Läuferachse schneidet, insbesondere rechtwinklig zu ihr liegt, wenn die Kammerachse parallel oder konzentrisch zur Läuferachse verläuft.Implementation according to the invention is particularly simple formed nozzle vestibules by means of a preferably concentric to the rotor axis arranged cylindrical body and an annular body surrounding this at a distance. - The cylindrical body can be from the head piece of the deflagration chamber or the Deflagration chambers are formed. Since one or two deflagration chambers in the in most cases to generate the quantities of combustion gas required for admission suffice, the result is an extremely compact design, if this chamber or preferably chambers arranged parallel to one another with respect to the associated nozzle valves be arranged so that the chamber axis intersects the rotor axis, in particular is perpendicular to it if the nozzle valve axis is parallel or concentric runs to the rotor axis, or that the valve axis intersects the rotor axis, in particular is perpendicular to it if the chamber axis is parallel or concentric to the rotor axis runs.

Die Zeichnungen zeigen beispielsweise Ausführungen des Erfindungsgedankens, und zwar zeigen die -Abb. i bis 5 eine besonders gedrängte Bauart von Verpuffungskammer und Turbinenradraum, bei der diesem nur eine einzige Verpuffungskammer zugeordnet ist.The drawings show, for example, embodiments of the inventive concept, namely show the -Fig. i to 5 a particularly compact type of deflagration chamber and turbine wheel space, in which only a single deflagration chamber is assigned to it is.

Im einzelnen zeigt Abb. i einen senkrechten Längsschnitt durch die Gesamtanordnung, während Abb. 2 das Radgehäuse mit dem anschließenden Kopf der Verpuffungskammer in etwas vergrößerter Darstellung zeigt. Die Abb. 3 zeigt in ihrer linken Hälfte einen senkrechten Querschnitt nach Linie III-III der Abb. 2, während die rechte Hälfte einem senkrechten Querschnitt nach Linie II-II der Abb. 2 entspricht.In detail, Fig. I shows a vertical longitudinal section through the Overall arrangement, while Fig. 2 shows the wheel housing with the adjoining head of the deflagration chamber shows in a somewhat enlarged representation. Fig. 3 shows in its left half a vertical cross-section along line III-III of Fig. 2, while the right Half corresponds to a vertical cross section along line II-II of Fig. 2.

Abb. q. ,stellt einen senkrechten Querschnitt durch die Gesamtanordnung nachLinieIV-IV der Abb. 2 dar, während ihre rechte Hälfte einen Schnitt nach Linie I-I der Abb. 2 zeigt.Fig.q. , represents a vertical cross-section through the entire arrangement according to line IV-IV of Fig. 2, while its right half is a section according to line I-I of Fig. 2 shows.

Abb. 5 schließlich zeigt einen senkrechten Querschnitt nach Linie V-V der Abb. i. Die Abb. 6 gibt im Gegensatz zu der Anordnung nach den Abb. i bis 5 mit einer Verpuffungskammer eine Bauart wieder, bei der auf ein Turbinenrad zwei Verpuffungskammern wirken. Eine ähnliche Anordnung zeigen auch die Abb. 7 und 8 am senkrechten Querschnitt durch den Kopf der Verpuffungskammern nach Linie VII-VII der Abb. 8 bzw. am waagerechten Längsschnitt nach Linie VIII-VIII der Abb. 7.Finally, Fig. 5 shows a vertical cross-section along the line V-V of Fig. I. In contrast to the arrangement according to FIGS. I to 5 with a deflagration chamber again a type in which two on a turbine wheel Deflagration chambers act. A similar arrangement is also shown in Figs. 7 and 8 on the vertical cross section through the head of the deflagration chambers along line VII-VII of Fig. 8 or on the horizontal longitudinal section along line VIII-VIII of Fig. 7.

In den Abb. i bis 5 bezeichnet zunächst i die Verpuffungskammer, die in an sich bekannter Weise mit dem Spülluftventil 2 über einen konischen Übergang 3 in Verbindung steht. Der konische Übergang 3 enthält auch die Brennstoffeinlaßorgane q. sowie die Ladeluftzuführungsorgane 5. Dem Brennstoffeinlaßorgan q. wird der Brennstoff über die Leitung 6, den Ladelufteinlaßorganen 5 die Ladeluft über die Stutzen 7 zugeführt. Sowohl das Spülluftventil e wie die Ladeluftventile 5 werden über bei 8 angeordnete hydraulische Steuerungsorgane gesteuert. Außerderri weist die Verpuffungskammer i in an sich bekannter Weise Zündvorrichtungen g auf. Das dem Spülluftorgan 2 gegenüberliegende Ende der Verpuffungskammer ist wiederum bei io konisch ausgestaltet und geht bei i i in die Auslässe über, die durch Düsenventile iz geöffnet und verschlossen werden- können. Auch die Düsenventile werden durch bei 8 angeordnete hydraulische Steuerungsorgane rhythmisch betätigt.In Figs. I to 5 first i denotes the deflagration chamber, the in a manner known per se with the purge air valve 2 via a conical transition 3 communicates. The conical transition 3 also contains the fuel inlet members q. and the charge air supply elements 5. The fuel inlet element q. becomes the fuel the charge air via the connection 7 via the line 6 and the charge air inlet organs 5 fed. Both the scavenging air valve e as the charge air valves 5 are over at 8 arranged hydraulic control organs controlled. In addition, the deflagration chamber has i on ignition devices g in a manner known per se. The one opposite the scavenging air element 2 End of the deflagration chamber is again conical at io and passes at i i into the outlets, which are opened and closed by nozzle valves iz can be. The nozzle valves are also operated by hydraulic ones arranged at 8 Control organs operated rhythmically.

Die Wirkungsweise derartiger Verpuffungskammern ist bekannt. Zunächst wird bei geöffneten Düsenventilen i2 und bei geöffnetem Spülluftorgan 2 der Rest der von der vorhergehenden Verbrennung zurückgebliebenen Verbrennungsgase ausgeschoben. Es findet sodann die Nachladung der Verpuffungskammer mit über die geöffneten Ladeluftventile 5 zugelassener Ladeluft statt. Zwischenzeitlich werden die Düsenventile 12 geschlossen und die Brennstoffeinlaßorgane q. eröffnet, so daß sich in der Verpuffungskammer i ein zündfähiges Gemisch bildet, das beispielsweise über die Fremdzündungen 9 zur Entzündung gebracht wird. Die gebildeten hochgespannten und hocherhitzten Verbrennungsgase werden nun bei geöffneten Düsenventilen i2 auf das Turbinenrad entlassen: Dieses Turbinenrad 13 ist koaxial zur Achse der Verpuffungskammer vor der Stirnfläche ihres Kopfstückes 1q. angeordnet und wirkt über Welle 15 unmittelbar auf die Arbeitsmaschine 16, die beispielsweise als Gebläse ausgebildet ist. Das Turbinenrad 14 ist dabei auf seinem Gesamtumfang als gleichzeitig beaufschlagtes Turbinenrad ausgebildet und besitzt eine verhältnismäßig hohe Drehzahl, beispielsweise von 8500 Umläufen je Minute.The mode of operation of such deflagration chambers is known. First, when the nozzle valves i2 are open and the scavenging air element 2 is open, the remainder of the combustion gases remaining from the previous combustion is expelled. The deflagration chamber is then recharged with charge air approved via the open charge air valves 5. In the meantime, the nozzle valves 12 are closed and the fuel inlet organs q. opened, so that an ignitable mixture is formed in the deflagration chamber i, which is caused to ignite, for example, via the external ignitions 9. The highly stressed and highly heated combustion gases formed are then released onto the turbine wheel with the nozzle valves i2 open: This turbine wheel 13 is coaxial with the axis of the deflagration chamber in front of the end face of its head piece 1q. arranged and acts via shaft 15 directly on the machine 16, which is designed, for example, as a fan. The turbine wheel 14 is designed on its entire circumference as a turbine wheel acted upon at the same time and has a relatively high speed, for example of 8500 revolutions per minute.

Erfindungsgemäß ist nun bei einer derartigen Anordnung der ringförmige Düsenvorraum 18, der zwischen den Düsen 17 und den Düsenventilen 12, liegt, zwischen zwei Zylindermänteln angeordnet, deren Verlängerungen einen Raum umschließen, den die Verbrennungsgaszuführung io, ii im wesentlichen einnimmt. Genaue Nachmessungen haben ergeben, daß dieser Düsenvorraum kleiner ist als der Düsenvorraum, der sich bei teilweiser Beaufschlagung des Turbinenrades ergeben würde. Eine vollkommene Auffüllung des Düsenvorraumes 18 ist dabei dadurch gewährleistet, daß zwei parallel arbeitende Düsenventile i2 -zur Entlassung der in der Verpuffungskammer i enthaltenen Verbrennungsgase angeordnet sind.According to the invention, with such an arrangement, the annular nozzle antechamber 18, which lies between the nozzles 17 and the nozzle valves 12, is arranged between two cylinder jackets, the extensions of which enclose a space which the combustion gas supply io, ii essentially occupies. Exact re-measurements have shown that this nozzle antechamber is smaller than the nozzle antechamber that would result from partial loading of the turbine wheel. A complete filling of the Düsenvorraumes 18 is ensured by the fact that two parallel-operating nozzle valves i2 - are arranged in the combustion gases Verpuffungskammer i contained discharge.

Abb.6 zeigt eine Ausführungsform des Turbinenrades, bei der der Düsenvorraum i8 von zwei Verpuffungskammern, die nicht gezeichnet sind, aufgefüllt wird. Wieder ergibt sich durch die ringförmige Ausgestaltung des Düsenvorraumes in Verbindung mit dem Merkmal, daß der Düsenvorraum zwischen zwei Zylindermänteln liegt, deren Verlängerungen einen Raum umschließen, den die Verbrennungsgaszuführung i i, i i' einnimmt, ein außerordentlich geringer Rauminhalt des Düsenvorraumes, der die Voraussetzung größter Wirtschaftlichkeit des Turbinenbetriebes bildet.Fig.6 shows an embodiment of the turbine wheel in which the nozzle antechamber i8 is filled by two deflagration chambers, which are not shown. Again results from the annular design of the nozzle vestibule in connection with the feature that the nozzle antechamber is located between two cylinder jackets whose Extensions enclose a space that the combustion gas supply i i, i i ' occupies, an extremely small volume of the nozzle vestibule, which is the prerequisite forms the greatest economic efficiency of turbine operation.

Während bei den Ausführungsbeispielen nach den Abb. i bis 6 die Gaszuführung an zwei gegenüberliegenden Stellen des ringförmigen Düsenvorraumes liegt, sind bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. 7 und 8 insgesamt vier Gaszuführungen vorgesehen, die sich gleichmäßig auf den ringförmigen Düsenvorraum verteilen. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß für die Verpuffungskarrimer i die beiden Düsenventile 12, für die Verpuffungskammer i' die beiden Düsenventile 12' vorgesehen sind. Die Gaszuführungen i i bzw. i i' gehen dabei unmittelbar hinter den Düsenventilen 12 bzw. 12' zum Turbinenradraum i9 zu in den ringförmigen Düsenvorraum über und nehmen dabei gleichzeitig den Raum ein, der innerhalb der Verlängerungen der Zylindermäntel liegt, zwischen denen der Düsenvorraum angeordnet ist.While in the embodiments according to Figs. I to 6, the gas supply is located at two opposite points of the annular nozzle antechamber are included In the embodiment of Figs. 7 and 8, a total of four gas feeds are provided, which are evenly distributed over the ring-shaped nozzle antechamber. The order is made so that the two nozzle valves for the Verpuffungskarrimer i 12, the two nozzle valves 12 'are provided for the deflagration chamber i'. the Gas supply lines i i and i i 'go directly behind the nozzle valves 12 or 12 'to the turbine wheel space i9 into the annular nozzle antechamber and take over at the same time the space within the extensions of the cylinder jackets lies, between which the nozzle antechamber is arranged.

Claims

PATENT CLAIMS; i. Deflagration combustion turbine with valve-controlled, annular nozzle antechamber, characterized by the arrangement of the annular nozzle antechamber between two cylinder jackets, the extensions of which enclose a space, the the fire gas supply essentially occupies.

2. Deflagration turbine according to claim i, characterized in that the diameter of the annular nozzle antechamber corresponds approximately to the diameter of a deflagration chamber.

3. Deflagration turbine according to claim i, characterized in that the ring-shaped nozzle antechamber simultaneously applied nozzle arches for simultaneous full application of the Turbine impeller is formed annularly closed. q ..

Deflagration internal combustion turbine according to one of claims i to 3, characterized by the formation of the nozzle front space by means of a cylindrical, preferably concentric to the rotor axis Body and an annular body surrounding this at a distance.

5. Deflagration turbine according to claim q., characterized in that the cylindrical body from the head piece the deflagration chamber or chambers is formed.

6. Deflagration turbine after one of claims r to 5, characterized by an arrangement the deflagration chamber generating the operating medium or two, preferably in parallel mutually lying deflagration chambers with respect to the associated nozzle valves, in which the chamber axis intersects the rotor axis, in particular at right angles it lies when the nozzle valve axis is parallel or concentric to the rotor axis runs, or in which the valve axis intersects the rotor axis, in particular at right angles lies to it when the chamber axis is parallel or concentric to the rotor axis.