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Zweikreis - Gasturbinen -Triebwerk Die Nachteile derheutigen Gasturbinen-Triebwerke,
insbesondere der Gasturbinen-Trieb-,verke für die Luftfahrt, sind bekannt. Sie bestehen
im wesentlichen im niedrigen thermodynamischen Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses
und den daraus resultierenden hohen Kraftstoffverbräuchen, in der Begrenzung der
Betriebstemperaturen durch das Schaufelmaterial, ferner in der hohen Stufenzahl
des wegen seiner Schluckfähigkeit bevorzugten Axial-Turbokompressors, welche zur
Erreichung hoher Druckverhältnisse erforderlich ist und zu Bauformen führt, die
ein ungünstig hohes Gewicht zur Folge haben, außerdem in der fehlenden Regulierungsmöglichkeit
der Strötnungsmaschine, welche nur für bestimmte Drehzahlen und Druckverhältnisse
ausgelegt werden kann, und in der Höhenabhängigkeit der Leistung.
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Bekannt sind Zweikreis-Gasturbinen-Stahltriebwerke, bei denen ein
gemeinsamer Vorverdichter in Form eines Turbokompressors den als Verbrennungsluft
benötigten Teilluftstrom für den inneren Kreis vorverdichtet und außerdem auch den
Luftstrom des zweiten äußeren Kreises verdichtet.
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Die Nachverdichtung für den inneren Kreis erfolgt nach diesen Vorschlägen
durch einen zweiten Turboverdichter, beide Niederdruck- und Hochdruckturboverdichter
werden gemeinsam von einer zwischen Brennkammer und Schubdüse geschalteten Gasturbine
angetrieben. Die weitere Entwicklung hat dann zum sogenannten Zweiwellentriebwerk
geführt, wobei beide Turboverdichter getrennt von Hochdruck- und Niederdruckturbine
angetrieben werden. Durch diese Anordnung werden etwas höhere Druckverhältnisse
erreicht und der Wirkungsgrad in begrenztem Maß verbessert, der Hauptvorteil der
Doppelverdichteranordnung bzw. Zweiwellenanordnung liegt jedoch in der größeren
Freiheit bei der Auslegung der Turboverdichter durch die Aufteilung in zwei Stufen
mit verschiedenen Drehzahlen. Die dadurch erreichten Vorteile in thermodynamischer
Hinsicht werden jedoch durch größere Baulänge und Gewicht teilweise wieder aufgehoben.
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Die vorliegende Erfindung will diese Nachteile der heutigen Bauformen
der Gasturbinen-Triebwerke allgemeiner Bauart und der Gasturbinen-Strahltriebwerke
im besonderen und der Vorschläge, die auf eine Wirkungsgradverbesserung hinzielen,
vermeiden, und zwar durch Einführung eines Hochdruckverbrennungspro7esses in dem
inneren Kreis des Gasturbinen-Triebwerkes. Die zu -einer wesentlichen Verbesserung
des thermischen Wirkungsgrades von Gasturbinen allgemeiner Bauart erforderlichen
optimalen Druckverhältnisse liegen nämlich wesentlich höher, als man sie mit den
heutigen Bauformen der Turboverdichter unter tragbaren Wirkungsgraden der letzteren
erreichen kann. Dies gilt vor allem für Anlagen mit Zwischenerhitzung und Zwischenkühlung.
Aus diesem Grunde wird bei der vorliegenden Anmeldung hinter der Niederdruckturbokompressorstufe
ein Freikolbenkompressor als Hochdruckstufe angeordnet, der auf der Ansaugseite
mit dem Enddruck des Nied erdruckturbokompressors arbeitet und auf der Druckseite
hochgespannte Druckluft in die Hochdruckbrennkammer eines Gasturbinen-Triebwerkes
fördert.
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Erfindungsgemäß kann so die große Schluckfähigkeit der Strömungsmaschine
im niederen Druckbereich mit den Vorteilen der Kolbenmaschine im hohen Druckbereich
kombiniert werden, der darin liegt, daß mit konstruktiv einfachen ?Mitteln hohe
-#'erdichtungsdruckverhältnisse erreicht werden können.
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Weiter kann bei Ausbildung der Hochdruckstufe als Freikolben-Dieselkompressor
der Dieselteil bei Luftfahrt-Gasturbinen-Triebwerken mit konstanter Leistung bis
zur Nennleistungshöhe (12 bis 14 km) ausgelegt werden, wodurch das Gesamttriebtverk
eine wesentlich bessere Höhenleistung besitzt, als dies bei den heutigen Gasturbinen-Triebwerken
der Fall ist.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Nachverdichter für
die Verbrennungsluft samt seiner Antriebsmaschine in. an sich bekannter Weise als
Freikolben-Dieselbrennkraftmaschinenverdichter ausgebildet ist.
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Zur Einhaltung der notwendigen Temperaturgrenze des Verbrennungsprozesses
in der Brennkammer (totale Gastemperatur vor der Turbine) kann die hochgespannte
Druckluft des Hochdruck-Freikolbenr kompressors zwischengekühlt und bei Zweikreis-Strahltriebwerken
die Kühlwärme zusammen mit den Motor- und Turbinenabgasen in die Impulsmasse des
Triebwerkes geleitet werden, wodurch Temperatur, Geschwindigkeit und Schub des Triebwerkes
erhöht werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in. Form
eines Zweikreis-Gasturbinen-Triebwerkes dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf
dieses
Beispiel beschränkt, es sind lediglich die zum Verständnis des Erfindungsgedankens
grundlegenden technichen Merkmale dargestellt, die für Gasturbinen-Triebwerke allgemeiner
Bauart, für stationäre und fahrbare Anlagen sowie für Flugtriebwerke Geltung besitzen.
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In der Zeichnung bedeutet a = Einlaufdüse, b = Turboverdichter,
c = Ringkanal, d = Schubdüse, e = zum inneren Kreis gehöriger Teil des Turboverdichters,
f = Hochdruck-Freikolhenverdichter, ä = Kühlrippen, La = Brennkammer, i = Einspritzdüsen
in Hochdruckbrennkammer, j = Turbine, k = Welle, L = Abgasdüse.
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Die in die Einlauf düse a mit Flugstaudruck eintretende Luft wird
im Turboverdichter b mit einem optimalen Druckverhältnis weiterverdichtet, das der
Auslegungsgeschwindigkeit des Flugzeuges zur Erreichung eines günstigen Strahlwirkungsgrades
entspricht. Der Hauptluftstrom geht durch den äußeren Ringkanal c zur Schubdüse
d und wird dort in Form eines schuberzeugenden Gasstrahls ausgestoßen (äußerer Luftstromkreis).
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Eine bestimmte Teilluftmenge wird zur Höhenverdichtung durch den inneren
Luftstromkreis e des Turboverdichters b geleitet und anschließend im Hochdruck-Freikolben-Dieselverdichter
f auf hohen Druck verdichtet. Der Freikolben-Dieselmotor ist dabei direkt mit dem
Hochdruckverdichter als Freikolbenmaschine gekuppelt. Der Hochdruckverdichter besitzt
Kühlrippen g, die im äußeren Luftstromkanal c liegen und eine wirksame Kühlung des
Motorverdichters gewährleisten.
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Vom Hochdrucl:-erdichter wird die hochgespannte Druckluft in die Brennkammer
1a geleitet, wo durch Kraftstoffeinspritzung mittels Düsen i die Erwärmung des Mediums
auf Betriebstemperatur erfolgt. Die Verbrennungsgase beaufschlagen die Turbine j,
die ihre Leistung mittels Welle k auf den Turboverdichter b überträgt. Die entspannten
Gase strömen mit einer Restenergie durch die Düse l aus und vermischen sich mit
dem Luftstrom des äußeren Kreises in der Düse d zu einem resultierenden Gasstrom.
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Durch die im äußeren Luftstromkreis liegenden Kühlrippen werden die
vom Freikolbenverdichter entwickelten Wärmemengen zu einem großen Teil in die Impulsmasse
des äußeren Luststromkreises hinter dein Turboverdichter abgeleitet, wodurch Temperatur,
Geschwindigkeit und Schub des Triebwerkes vergrößert werden. Der Turboverdichter
fördert den Hauptteil seiner Impulsmasse direkt in die Schubdüse und eine Teilmenge
in den inneren Verbrennungskreis.
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Die Ausbildung der Hochdruckstufe (Hochdruckverdichter) als Freikolben-Dieselmotorverdichter
mit eigenem Antrieb hat grundsätzlich den Vorteil, daß die Leistung je Gewichtseinheit
des Durchsatzes durch das Triebwerk wesentlich höher als bei den bisher bekannten
Gasturbinen-Triebwerken liegt und daß der thermische Wirkungsgrad des Trieb-,verkes
sprunghaft in die Größenordnung der Wirkungsgrade von Dieselmaschinen ansteigt,
und zwar dadurch, daß die Hauptverdichtung im Verbrennungskreis durch den Hochdruck-Freikolbenverdichter
mit einem effektiven Wirkungsgrad des Freikolben-Dieselmotors in der Größenordnung
von 5011/o erfolgt gegenüber 201/o effektivem Wirkungsgrad der Turboverdichter bei
normalen Gasturbirnenanlagen. Bei Flugtriebwerken ergibt sich noch der besondere
Vorteil, daß der Freikolbenmotorverdichter mit einer konstanten Höhen-Leistung bis
zur Nennleistungshöhe durch entsprechende Aufladung der Motorzylinder ausgelegt
werden kann, wodurch das Gesamttriebwerk ebenfalls eine bessere Leistungskonstanz
über der Flughöhe besitzt und der Schub in größeren Flughöhen nicht mehr so stark
abfällt, wie es bei den heutigen Luftfahrt-Gasturbinen-Triebwerken der Fall ist.
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Der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung mit der besonderen
Ausbildung des Verbrennungskreises hei Gasturbinen-Triebwerken und der Einführung
eines Freikolbenver.dichters als nachgA.schaltete Hochdruckstufe erstreckt sich
auf fahrbare und stationäre Anlagen. Die Wellenleistung der Turbine kann nach Abzug
der für die Luftvorverdichtung der Verbrennungsluft im Niederdruckturboverdichter
erforderlichen Leistung zum Antrieb von Turbomaschinen, Schiffspropellern, Luftschrauben,
Generatoren und wie in der Zeichnung beispielsweise dargestellt, zur Beschleunigung
und Verdichtung einer f uftinasse mittels eines Turboverdichters zum Zweck der Erzeugung
von Schubkräften verwendet werden.
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Für stationäre und fahrbare Anlagen ergibt sich der Vorteil der Erreichung
hoher Wirkungsgrade durch den hohen effektiven Wirkungsgrad des Freikolben-Dieselmotors
bei der Nachverdichtung im Freikolbenverdichter und der hohen spezifischen Leistung
durch den Freilcolben-Dies-lfremdantrieb des Nachverdichters, wodurch sich für die
Gasturbinenentwicklung auf der Grundlage des Hochdruckverfahrens ganz neue Möglichkeiten
ergeben.