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Verfahren zum Erzeugen von Treibmittel für Andrehvorrichtungen von
Brennkraftmaschinen und danach arbeitender Treibmittelerzeuger Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Erzeugen vcn Treibmittel für Andrehvorrichtungen von Brennkraftmaschinen,
bei. dem ein wärmeabgebend reagierender Brennstoff, z. B, Pulver, verbrannt wird.
Vor allem ist es geeignet zum Andrehen von Gasturbinen; es ist aber auch bei anderen
Kreiselmaschinen brauchbar.
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Bisher dienten vornehmlich die beim Abbrennen von Kartuschen entstehenden
Brenngase als Treibmittel. Die hohe Temperatur dieser Gase hatte jedoch zur Folge,
daß die gesamte Andrehvorrichtung eine starke Wärmebeanspruchung erfuhr, weshalb
sich die Verwendung von hitzebeständigen und damit teuren Werkstoffen nicht umgehen
ließ. Durch die Hitze wird die Lebensdauer einer Andrehvorrich.tung stark beeinträchtigt.
Der gleiche- Nachteil zeigt sich bei. Treibmittelerzeugern, die auf dem Prinzip
der Brennkraftmaschinen mit möglichst vollständiger Verbrennung beruhen. Darüber
hinaus sind diese Treibmittelerzeuger im Aufbau kompliziert und daher auch kostspielig,
Beim Andrehen von Strahltriebwerken führt man deren Gasturbinen aus einem druckfesten
Behälter Treibstoff hoher kinetischer Energie zu, der gezündet wird. Vor den Leitschaufeln
ist am Gaskasten eine Strahldüse zur wirksamen Beschleunigung des ruhenden oder
strömenden Gasinhaltes angeordnet. Die Düse wird von einem Energieträger gespeist,
der nach Zündung durch autokatalytische chemische Vorgänge ohne Sauerstoffzufuhr
in einem Gefäß entsteht.
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Die Erfindung entwickelt das eingangs erwähnte Verfahren weiter, und
zwar schlägt sie eine Ausführungsart vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die
Brenngase des Brennstoffes aus einer Brennkammer in eine Aufheizungskammer bzw.
Verdampfungskammer strömen, in dieser das Treibmittel aufheizen bzw. verdampfen
und dadurch auf Druck bringen und daß anschließend das Treibmittel und die Brenngase
durch eine offene Verbindungsleitung zur Andrehvorrichtung strömen und diese betätigen.
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Unter »Brennstoff« wird jeder einfache oder zusammengesetzte Stoff
verstanden, der durch Zündung oder Mischung eine stark wärmeabgebende Reaktion eingeht
und sich in verdichteter Form darstellt. Die vom Brennstoff gelieferte Wärme dient
zur Erhöhung der nutzbaren Energie des gasförmigen bzw. des flüssigen und anschließend
dampfförmigen Treibmittels. Im letztgenannten Fall soll sie außerdem die Kondensation
und das Mitreißen von Flüssigkeitsteilchen in die Turbine vermeiden. Andererseits
hat das Treibmittel die Aufgabe, die hohe Temperatur der Brenngase zu senken, so
daß die Andrehvorrichtung mehr als bisher geschont wird.
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Bei Verwendung eines Gases als Treibmittel wird das aufzuheizende
Gas beim Einströmen in die Aufheizkammer auf einen Druck entspannt, der niedriger
ist als der beim Abbrennen des Brennstoffes entstehende Druck. Das Treibgas kann
von Druckflaschen, Luftkompressoren, mit langsam abbrennendem Pulver beschickten
Gasgeneratoren od. dgl. geliefert werden oder von einer Energiequelle kommen, die
in der Lage ist, eine große Gasmenge (mehrere kg) in einer verhältnismäßig kurzen
Zeit (der Größenordnung nach in ungefähr 10 Sekunden) zu erzeugen, wobei der Druck
und die Temperatur den Betriebsbedingungen der Andrehvorrichtung genügen müssen.
Außerdem kann eine automatische Speisevorrichtung für die Andrehvorrichtung vorgesehen
sein. Die notwendige Pulvermenge ist gering. Die Hauptmasse des Treibgases besteht
im allgemeinen aus Luft.
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Das Treibgas wird stufenweise freigegeben und in jeder Stufe auf einen
.vorausbestimmten Druck und eine vorausbestimmte Temperatur gebracht.
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Geht man bei der Erzeugung des Treibmittels von einer Flüssigkeit
aus, so verfährt man in der Weise, daß die Flüssigkeit durch den Druck der Brenngase
in die Verdampfungskammer gespritzt und hier durch die Wärme der Brenngase verdampft
wird. Die erforderliche Antriebsmittelmenge für die Andrehturbine wird zum Teil
durch Dampf, zum anderen Teil durch die Brenngase des Pulvers gestellt.
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Da die Verdampfungswärme von Flüssigkeiten viel geringer ist als die
spezifische Wärme von Gasen, braucht man in diesem Falle zwar eine größere Brennstoffmenge
als bei dem erstgenannten Verfahren; dafür
kommt man aber hier mit
einem leichteren und weniger sperrigen Treibmittelerzeuger aus.
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Die Erfindung hat außerdem Treibmittelerzeuger zur Durchführung des
einen bzw. des anderen der beiden erwähnten Verfahren zum Gegenstand. Ihr Kennzeichen
besteht darin, daß die Aufheizkammer bzw. die Verdampfungskammer einerseits mit
der Brennkammer über eine oder mehrere kalibrierte Öffnungen und andererseits mit
dem Treibmittelbehälter über mindestens eine kalibrierte Öffnung verbunden ist.
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Kommt dabei als Treibmittel Gas zur Verwendung, so wird dieser Treibgaserzeuger
derart ausgebildet, daß der Treibgasbehälter über eine kalibrierte Öffnung mit einer
Entspannungskammer und diese mit der Aufheizkammer über zwei Ventile unterschiedlicher
Größe in Verbindung steht, von denen das kleinere von Hand zu öffnen und durch eine
Sperre offenzuhalten ist, während das größere an einem Kolben derart befestigt ist,
daß der Druck der Brenngase es öffnen und zugleich die Sperre des kleinen Ventils
lösen und dieses schließen kann.
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Zwischen der Brennkammer und dem Kolben befindet sich eine weitere
Brennkammer, von der im Kolben vorgesehene kalibrierte Öffnungen zur Aufheizkammer
führen.
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Ist der Treibmittelerzeuger als Treibdampferzeuger auszuführen, so:
wählt man die Anordnung so, daß von der im Treibmittelbehälter enthaltenen Flüssigkeit
ein Tauchrohr mit einer Düse in die Verd'ampfungskammer ragt. Außerdem sieht man
über dem Spiegel der Flüssigkeit ein zur Verbrennungskammer führendes Verbindungsrohr
vor.
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Bei beiden Ausführungsformen ist die Menge des in die Aufheizkammer
bzw. in die Verdampfungskammer gelangenden Treibmittels zweckmäßig regelbar und
der Zufluß ganz abschaltbar. Ferner führt in beiden Fällen von der Aufheizkammer
bzw. der Z',,#rdampfu.ngskammer eine offene Rohrleitung zu einem Druckraum der Andrehvorrichtung,
von dem aus das Treibmittel die eine Hälfte einer Andre:hkupplung betätigt, deren
andere Hälfte sich auf der Antriebswelle der anzudrehenden Maschine befindet.
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Der Treibmittelerzeuger ist so ausgeführt, daß das Treibmittei der
Andrehvorrichtung in. der ersten Andrehphase unter verringertem Druck zugeführt
wird. Das Einrücken der Kupplung geht dann stoßfrei vonstatten. Auch beim darauffolgenden
Andrehen wird ein Drehmomen.tstoß vermieden. Ein solcher Stoß entstünde infolge
der 1lassenträgheit der anzudrehenden Maschine beim Einrücken der Kupplung dann,
wenn die Andrehturbine bereits eine hohe Drehzahl angenommen hätte. Bei der erfindungsgemäßen
Bauart erübrigt sich daher die Anwendung einer Rutschkupplung, so daß der Aufbau
der Andrehvorrichtung einfach wird. Andrehvorrichtungen, bei denen die Kupplung
ebenfalls weich einschaltet, sind bekannt, jedoch bedarf es bei ihnen, der ilIitwirl:ung
von Ventilen.
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Der erfindungsgemäße Treibmittelerzeuger, sei es der einen oder der
anderen Ausführungsform, hat gegenüber den bekannten Bauarten auch den Vorteil geringeren
Gewichtes, geringerer Abmessungen sowie einfacherer Konstruktion, weshalb er weniger
störungsanfällig ist. Außerdem ist zu seinen Gunsten zu erwähnen, daß bei seiner
Verwendung die Andrebturbi:ne im Stillstand ihr größtes Drehmoment erzeugt, das
schließlich durch die Speisecharakteristik des Treibmittelerzeugers beschränkt wird.
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Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Bauarten ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele.
In dieser zeigt u Fig. 1 eine mit Druckluft arbeitende Andrehvor-@ richteng im Schnitt,
Fig. 2 eine mit Flüssigkeit arbeitende Andrehvorrichteng im Schnitt.
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Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besteht aus einer Druckluftflasche 1,
die über eine mit einem Hahn. 2 versehene Rohrleitung 3 mit dem Verteiler 4 verbunden
ist. Der Verteiler 4 speist über eine Rohrleitung 5 die Turbine 6 der Andrehvorrichtung,
welche in geeigneter Weise am Gehäuse 7 der Arbeitsturbine (in der Zeichnung nicht
dargestellt) befestigt ist, deren Welle andrehseitig die eine Hälfte einer Klauenkupplung
8 aufweist. Die Turbine 6 treibt vermittels des untersetzenden Getriebes 9 die andere
Hälfte der Klauenkupplung 8 an. Deren Klaue 10 kann in axialer Richtung verschoben
werden. Sie ist mit einem ringförmigen Kolben 11 versehen, der sich in der ebenfalls
ringförmigen Druckkammer 12 verschieben kann. Die Kammer 12 steht über die Rohrleitung
13 mit der Rohrleitung 5 (Hauptleitung) der Andrehvorrichtung in Verbindung.
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Der Verteiler 4 weist eine Entspannungskammer 14 auf, die mit der
Druckluftquelle 1 über eine kalibrierte Öffnung 15 verbunden ist.
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Außerdem gehört zum Verteiler eine Brennkammer 16 mit einem Zündsatz
17 und einer Pulverladung 18, des weiteren eine Hilfskammer 19, von der zwecks Gewährleistung
eines geeigneten Verbrennungsdruckes eine oder mehrere kalibrierte Öffnungen 20
zur Brennkammer 16 führen, und eine Aufheizkammer 21, an welche die Rohrleitung
5 angeschlossen ist. Die Aufheizkammer 21 steht einerseits mit der Hilfskammer 19
über Öffnungen 22, die sich in dem Boden des die Kammern 19 und 21 trennenden Kolbens
23 befinden, andererseits mit der Entspannungskammer 14 über die Ventile 24 und
25 in Verbindung. Das Ventil 25 wird durch den Kolben; 23 betätigt und normalerweise
durch die Feder 26 geschlossen gehalten.
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Die Offenhaltung des Tellers 27 des Ventils 24 bewirken normalerweise
die Auslösung 28 und der Abzug 29. Die Feder 30 dient zum Schließen des Tellers
27, sobald infolge einer Rückwärtsbewegung des Ventils 25 der Abzug 29 die Auslösung
28 freigibt. Beim Schließen des Ventils 25 führt eine Feder 31 den Abzug 29 wieder
in seine Ausgangstellung zurück. An dem am Ende des Schaftes des Ventiltellers 27
vorgesehenen Ring 32 kann dieses Ventil von Hand geöffnet werden.
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Die Öffnungen 22 sorgen dafür, daß in der Hilfskammer 19 der Druck
der Brenngase des Pulvers so hoch gehalten wird, daß er zum öffnen des Ventils 25
und zum Offenhalten desselben während der Verbrennung der Pulverladung 18 ausreicht.
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Die kalibrierte Öffnung 15 dient dazu, die aus der Flasche 1 ausströmende
Druckluftmenge und damit den Anfangsdruck der Andrehturbine 6 bei geöffnetem Ventil
25 zu beschränken. Mit dem Ventil 24 wird bezweckt, die Andrehturbine in der ersten
Andrehperiode mit einer geringeren Druckluftmenge, also mit geringerem Druck zu
beaufachlagen.
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Nachstehend wird die Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fi:g. 1
beschrieben: Zunächst wird der Hahn 2 geöffnet. Beim darauffolgenden Durchgang durch
die Öffnung 15 und das kleine Ventil 24 entspannt sich die Druckluft und be-; wirkt
das Einrücken der Kupplungsklaue 10 sowie das Durchdrehen der Andrehturbine unter
geringem' Druck.
Darauf erfolgt das Zünden der Pulverladung 18 mittels
des Zündsatzes 17. Die Brenngasse der Ladung 18 besorgen das Öffnen des Ventils
25. das durch Einwirkung auf den Abzug 29 das Schließen des kleinen Ventils 24 bewerkstelligt.
Daraufhin steigt der Gasdruck sofort auf den Sollwert an, da das Ausströmen der
Druckluft nur noch durch die kalibrierte Öffnung 15 bestimmt wird. Beim Durchgang
durch die Aufheizkammer 21 wird die Druckluft mit den heißen Brenngasen des Pulvers,
die durch die Öffnungen 22 in diese Kammer gelangen, vermischt und erwärmt. Während
dieser Periode wird die anzudrehende Maschine auf die erforderliche Zünddrehzahl
gebracht. Sobald die Pulverladung 18 verbrannt ist, schließt sich das Ventil 25
unter der Wirkung der Feder 26. Dadurch wird die Speisung der Andrehturbine 6 unterbrochen.
Die Andrehvorrichtung läuft aus und kommt schließlich zum Stillstand. Die Klauenkupplung
8 löst sich, sobald die Drehzahl der Andrehvorricht.ung hinter der der angedrehten
Maschine zurückbleibt.
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Anschließend wird der Hahn 2 geschlossen und das kleine Ventil 24
durch Ziehen am Ring 32 von Hand geöffnet. Der Ring 32 kann dann wieder losgelassen
werden. Die Pulverladung 18 und der Zündsatz 17 werden erneuert. Sofern dann noch
genügend Druckluft in der Flasche 1 vorhanden ist, ist die Andrehvorrichtung wieder
betriebsbereit.
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Im Falle der Ausführungsform nach Fig.2 weist der Treibmittelerzeuger
eine Pulverladung auf, deren Brenngase vor Weiterleitung zur Andrehturbine durch
Wassereinspritzung gekühlt und auf einen geeigneten Druck zurückgeführt werden.
Die Wassereinspritzung dient zugleich dazu, die verfügbare Gasmenge zu vergrößern.
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Die dargestellte Vorrichtung enthält die schon beschriebenen Bestandteile
6, 9, 10, 12 der And'rehvorrichtung sowie die Rohrleitung 5 und die Rohrleitung
13 für die Kupplungsklaue 10. Dieser Teil der Andrehvorrichtung ist im vorliegenden
Falle an den Druckmittelbehälter 33 angeschlossen, der eine Pulverkammer 34 mit
einem Zündsatz 35 zum Entzünden der Pulverladung 36 aufweist. Außerdem enthält er
eine Wasserkammer 37, die mit der Pulverkammer 34 über die Leitung 38 in Verbindung
steht. Des weiteren ist eine Verdampfungskammer 39 vorgesehen, die einerseits über
die kalibrierte Öffnung 40 mit der Pulverkammer 34 und andererseits über das Tauchrohr
41 mit der Wasserkammer 37 verbunden ist.
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Die kalibrierte Öffnung 40 sorgt dafür, daß in der Pulverkammer 34
ein für die Verbrennung des Pulvers geeigneter Druck aufrechterhalten wird, und
ferner, daß in der Verdampfungskammer 39 der Druck nicht über den Sollwert ansteigt.
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Das Andrehen wird wie folgt bewerkstelligt: Zunächst wird die Pulverladung
36 mittels des Zündsatzes 35 entzündet. Die dabei entstehenden Brenngase entweichen
in die Verda.mpfungskammer 39. Der in der Pulverkammer 34 herrrschende Gasdruck
wirkt sich über die Leitung 38 auf die Wasserkammer 37 auf und erhöht den Druck.
Hierdurch wird Wasser über das zerstäubera.rtige Tauchrohr 41 in die Verdampfungskammer
39 eingespritzt und zerstäubt und durch die heißen Brenngase des Pulvers verdampft.
Der Treibmittelerzeuger ist so ausgeführt, daß die Mischung der Brenngase mit dem
Dampf bei geeigneter Temperatur den geeigneten Druck zum Antrieb der Andrehturbine
ergibt, so daß das Durchdrehen der Maschine wie bei der beschriebenen ersten Ausführungsform
gewährleistet ist. Die Pulverladung 36 ist so beschaffen, daß sie während der ersten
Andrehphase nur einen geringen Druck erzeugt, so daß das Einrücken der Klauenkupplung
8 ohne Stoß erfolgt. Sobald sie verbraucht ist, hört die Speisung der Andrehturbine
auf; sie kommt dann, wie bereits oben erwähnt, von selbst zum Stillstand.