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Schubaggregat Die Erfindung betrifft ein Schubaggregat für mit Unterschallgeschwindigkeit
fliegende Langstreckenflugzeuge mit spitzenbeaufschlagten Gebläsen und diese speisenden
Gaserzeugem.
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Die Verwendung von spitzenbeaufschlagten Gebläsen und diese speisenden
Gaserzeugern ist bei Flugzeugen bekannt. Derartige Schubaggregate können als Reiseflugaggregate
oder als Hubaggregate für den Senkrechtstart verwendet werden. Bei einem derartigen
Schubaggregat wird relativ zum Luftstrom, der durch den Gaserzeuger hindurchgcht,
einegroße Luftmenge durch das Gehäuse hindurchgefördert, wodurch ein hoher Schubwirkungsgrad
erzielt wird. Derartige Schubaggregate eignen sich insbesondere bei einem Flug mit
Unterschallgeschwindigkeiten.
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Eines der Probleme, welches bei der Verwendung derartiger Schubaggregate
auftritt, betrifft den Einbau in das Flugzeug. Der Einbau sollte derart sein, daß
der Luftwiderstand nicht allzu groß wird, so daß die Vorteile, die ein derartiges
Schubaggregat mit sich bringt, nicht durch einen allzu großen Luftwiderstand wieder
aufgehoben werden. Ein derartiges Schubaggregat besitzt ferner eine charakteristische
Kennlinie für den spezifischen Brennstoffverbrauch als Funktion des Schubes. Bei
einem großen Schub, der beim Start erforderlich ist, ist der spezifische Brennstoffverbrauch
sehr nie#drig. Dieser Verbrauch steigt bei Abnahme des Schubes allmählich an, und
im Bereich geringer Schübe ist der Brennstoffverbrauch sehr hoch. Bei Langstreckenflugzeugen
ist aber gerade dieser Betriebsbereich geringer Schübe von großem Interesse, da
nach einer gewissen Flugzeit infolge des Treibstoffverbrauches das Flugzeugge-wicht
erheblich verringert wird und da dann die Leistungshöhe auf einen Wert für einen
geringen Schub eingestellt werden könnte. Dies führt dazu, daß in nachteiliger Weise
der spezifische Brennstoffverbrauch ansteigt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt,die Aufgabe zugrunde, ein Schubaggregat
zu schaff-en, welches so eingebaut werden kann, daß es einen möglichst geringen
Luftwiderstand bildet und welches ferner derart bei Langstreckenflugzeugen betrieben
werden kann, daß geringe Schubwerte eingestellt werden können, ohne daß der spezifische
Brennstoffverbrauch allzu stark ansteigt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabedadurch gelöst, daß zwei spitzenbeaufschlagte
Gebläse symmetriseh an einem Träger befestigt sind, derart, daß wenigstens zwei
Gaserzeuger zwischen diesen Gebläsen derart angeordnet sind, daß deren Rotationsachsen
in einer Ebene liegen, welche die Ebene unter einem rechten Winkel schneidet, in
der die Rotationsach#sen der Gebläse liegen und daß jeder Gaserzeuger mit jedem
Gebläse verbunden ist. Durch diesen Aufbau wird ein Schubaggregat mit minimaler
Oberfläche geschaffen, so daß die Luftwiderstände unddie Reibungswiderstände auf
ein Minimum herabgesetzt werden können. Von jedem Gaserzeuger werden an jedes Gebläse
gleiche Anteile des erzeugten Gases abgegeben. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau
können in einfachster Weise die erforderlichen Gasleitungen innerhalb !des Gehäuses
angeordnet werden, und die Gaszufuhrsteuerungen können ganz einfach gestaltet werden.
Beim Starten eines schweren Larigstreckenflugzeuges können beide Gebläse betrieben
werden, so daß ein optimaler Schub erzeugt werden kann. Während des langgestreckten
Fluges kann, wenn sich das Fluggewicht durch den Brennstoffverbrauch auf einen bestimmten
Wert erniedrigt hat, ein Gaserzeuger abgeschaltet werden, da der andere,dann noch
im Betrieb befindliche Gaserzeuger ausreicht, um den Schulb zu erzeugen, der zur
Aufrechterhaltung der erforderlichen Flughöhe und der erforderlichen Geschwindigkeit
notwendig
ist. Hierdurch ist es möglich, den spezifischen Brennstoffverbrauch gegenüber dem
Betrieb mit zwei oder mehr Gaserzeugern ganz erheblich herabzusetzen. Es werden
also zusätzlich zu den rein baulichen Vorteilen noch betriebstechnischc Vorteile
erzielt.
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Es kann vorteilhaft sein, daß drei Gaserzeuger zwischen den Gebläsen
angeordnet sind und daß jeder Gaserzeuger mit symmetrisch zueinander liegenden getrennten
Gaszuführungsabschnitten der Gejbläse verbunden ist. Auch hierbei wird ein kompakter
Aufbau mit geringem Luftwid#erstand erzielt, wobei die Verbindungsleitungen und
die Steuerungen für die Gaszuführung, zu den Gebläsen wieder in einfachster Weise
innerhalb des Gesamtgehäuses des Schubaggregates, untergebracht werden können. Mit
einem derartigen Schubaggregat ist ein dreistufiger Betrieb möglich. Beim Start
können alle drei Gaserzeuger betrieben werden. Nach einer gewissen Flugzeit, wenn
durch den Brennstoffverbrauch ein geringerer Schub erforderlich ist, kann ein Gaserzeuger
abgeschaltet werden, und es kann mit zwei Gaserzeugern weitergeflogen werden, wodurch
sich, bezogen auf den Schub, ein günstigerer spezifischer BrennstofIverbrauch ergibt.
Im letzten Abschnitt des Fluges kann auch der zweite Gaserzeuger noch abgeschaltet
werden, da im letzten Abschnitt des Fluges durch den Brennstoffverbrauch sich das
Fluggewicht weiter verringert hat, so daß ein geringerer Schub erforderlich ist.
Dieser geringere Schub kann mit einem Gaserzeuger erzeugt werden, wodurch der Betrieb
eines Gaserzeugers einen wesentlich besseren spezifischen Brennstoffverbrauch, bezogen
auf den Schub, mit sich bringt.
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Das Schubaggregat kann mit Vorteil so aufgebaut sein, daß die Rotationsachsen
der Gebläse in einer horizontalen Ebene liegen. Bei dieser Ausbildung des Schubaggregates
kann dieses beispielsweise unterhalb der Flächen von Flugzeugen aufgehängt werden.
Weiterhin können mit Vorteil die Rotationsachsen der Gebläse in einer vertikalen
Ebene lie 'gen. Bei einer derartigen Ausbildung des Schubaggregates kann dieses
beispielsweise am Rumpf befestigt werden.
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Es kann vorteilhaft sein, daß die Lufteintrittsabschnitte der Gaserzeuger
nach vorn über die Gebläse hinausragen. Hierdurch ist es möglich, daß die vom Gaserzeuger
benötigte Luft ungestört in diesen eintreten kann.
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Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung
erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 eine, Vorderansicht eines Flugzeuges
mit erfindungsgemäßen Schubaggregaten, F i #g. 2 -eine perspektivische Teilansicht
eines bekannten Schubaggregoates, F i #g. 3 eine perspektivische Teilansicht
eines an einem Rumpf befestigten Schubaggregates, F i g. 4 eine perspektivische
Teilansicht eines Schubaggregates an einem Flügel unter Verwendung von drei Gaserzeugern,
-F i g. 5 ein Diagramm des spezifischen Kraftstoffverbrauchs als Funktion
des Schubs fär das in F i g. 1
P Er gte Schubaggregat, zeil, Fig.
6 ein ähnlich-es Diagramm für das Schubaggregat von F i g. 4, F i
g. 7 einen Querschnitt eines Gebläses und F i g. 8 und 9 schematische
Darstellungen der Gaszuleitung bei zwei und drei Gaserzeugern. Die Erfindung wird
in Ihrer Anwendung bei einem Flugzeug beschrieben, obgleich es offensichtlich ist,
daß die Sdhubaggregate auch in anderen Fahrzeugen Verwendung finden können.
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F i g. 1 zeigt ein Langstreckenflugzeug 10, welches
mit Unterschallgeschwindigkeit fliegt. Ein solches Flugzeug kann mit konventionellen
Strahltriebwerken ausgerüstet sein, die an der Tragfläche 11 durch Pylone 12 aufgehängt
sind. Der Pylon 12 kann auch aus dem Rumpf herausragen und die Triebwerke tragen.
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Es ist beabsichtigt, den Vorteil eines veränderlichen Bypass-Verhältnisses
und eines günstigen spezifischen Brennstoffverbrauchs, bezogen auf den Schub, auszunutzen.
Ein bekanntes Schubaggregat wird in F i g. 2 gezeigt, wobei zwei Gaserzeuger
14 mit einem -Gebläse 15 zusammenarbeiten und das ja rgregat am Pylon
12 aufgehängt ist. ,anze Schubag Ein derartiges Schubaggregat weist allerdings nicht
die Vorteile und die neuartigen günstigen Betriebscharakteristiken für lange, Flugstrecken
auf. Weiterhin muß das Gebläse 15 bei einem gegebenen Schub relativ groß
-sein, und dies führt zu einer relativ großen Stirnfläche und demzufolge einem hohen
Luftwiderstand.
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Wie in den F i g. 1 und 3 gezeigt, sind zwei nicht unmittelbar
aneinanderliegende Gebläse 16 und 17
vorgesehen, die symmetrisch nebeneinander
angeordriet sind. Unter >symmetrisch« wird dabei verstanden, daß die beiden Gebläse
so angeordnet sind, daß ihre Schubrichtungen parallel sind. Um die, Gebläse miteinander
zu verbinden, kann, wie F i g. 3 zeigt, eine Gondel vorgesehen und über Träger
18 am Rumpf 19 befestigt werden. Es kann natürlich auch ein Pylon
12, wie in F i g. 1 gezeigt, unmittelbar an der Tragfläche befestigt sein.
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Jede äußere Oberfläche sowohl des Pylons als auch des Gebläses ist
eine Fläche, die von Luft umspült wird und deshalb Reibung erzeugt. Es ist daher
wünschenswert, diese Oberfläche so klein wie möglich zu halten. Aus diesem Grund
ist die, Gondel in die Außenfläche der Gebläse mit eingezogen, wie es F i
g. 1 zeigt, um die der Luft ausgesetzten Außenflächen der Gebläse zu verringern.
Mit dieser Anordnung,der Gebläse und Träger ist es möglich, die normalen Außenflächen
eines Sohubaggregates um nicht weniger als 2519/o zu reduzieren und bei Schuba,-gregaten
mit drei Gaserzeugern sogar bis 301/o. Es können mehrere Gaserzeuger 20 in die Gondel
eingebaut sein. Die Gaserzeuger sind, wie in den F i g. 1 und 3
gezeigt
ist, nebeneinander angeordnet und in der Gondel befestigt. Die Gaserzeuger sind,
wie am besten aus F ig. 1 zu ersehen ist, so angeordnet, daß die Ebene 21
' die durch die Rotationsachsen der Gaserzeuger hindurchgeht, im rechten
Winkel zuder Ebene 22 verläuft, in der die Rotationsachsen der Gebläse liegen. Dies
gilt, ob nun zwei Gaserzeuger, wie in F ig. 3 gezeigt, oder drei Gaserzeuger,
wie in F i g. 4 gezeigt, verwendet werden und unabhängig von der Raumlage
der Ebene, in der die Rotationsachsen der Gebläse liegen. Bei den in den F i
g. 3
und 4 gezeigten Sohubaggregaten wird von jedem Gaserzeuger 20 vorzugsweise
die Hälfte der Abgase verwertet, um die Gebläse 16 und 17 anzutreiben.
Jeder Gaserzeuger ist mit jedem Gebläse verbunden. Es muß nicht genau die Hälfte
der Abgase eines jeden Gaserzeugers, 20 in jedes Gebläse strömen, sondern ein Teil
der Abgase kann für andere Zwecke
genutzt werden. Wichtig ist daß
jedes Gebläse die gleiche Menge der von jedem Gaserzeuger20 erzeugten Gase erhält
Wie schon ausgeführt, ist erwünscht, ein Schubaggregat mit einem großen Bypass-Verhältnis
zu haben. Es wird auch verlangt, die Schubaggregate über sehr große Entfernungen
und bei sehr stark variierenden Schüben zu betreiben. Eine typische Kurve für ein
Schubaggregat mit einem großen Bypas#s-Verhältnis, in der der spezifische Kraftstoffverbrauch
als Funktion des Nettoschubs aufgetragen ist, zeigt F i g. 5. Eine solche
Kurve wird durch die punktierte und ausgezogne Linie 23 dargstellt. Man erkennt,
daß bei niedrigem Schub oder geringen Leistungseinstellungen der spezifische Brennstoffverbrauch
sehr schnell im punktierten Kurvenzweig ansteigt, wobeider Brennstoffverbrauch bei
etwa 20% des Maximalschubs stark ansteigt. Der Betrieb im flachen Teil der Kurve,
im Schubbereich von 80 bis 10011/o, ist vorteilhaft, weil er bei niedrigstem
spezifischen Brennstoffverbrauch erfolgt. Ein sehr schwer beladenes Flugzeug benötigt
beim Start einen maximalen Schub. Bei einer sehr langen Flugstrecke, wenn sich das
Startgewicht des Flugzeugs durch den Brennstoffverbrauch um die Hälfte verringert
hat, ist gegen Ende der Flugstrecke nur noch eine sehr niedrige Leistungseinstellung
und damit ein geringer Schub erforderlich, um das Flugzeug mit Reisegeschwindigkeit
zu fliegen. Unglücklicherweise wird, wie aus der Kurve hervorgeht, durch die Verringerung
der Leistungseinstellung zur Erzeugung eines Schubes von 30% der Brennstoffverbrauch
um annähernd 22% gesteigert (bis zum Punkt 1,22 in der Linie 23). Diese Werte
sind alle, relativ, und die Linie 23 dient nur dazu, eine typische Kurve
für ein Schubaggregat zu beschreiben.
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Für den vorliegenden Fall jedoch, bei dem zwei Gaserzeuger, wie in
F i g. 3 gezeigt, verwendet werden und beide Gebläse eingesetzt sind, entspricht
der tatsächliche Kurvenverlauf der Linie 23. Die Linie 24 ist eine Kurve
für einen Gaserzeuger. Es wird sofort klar, daß es bei großen Flugweiten und bei
Unterschallgeschwindigkeiten bis zu Mach 0,7 möglich ist, im niedrigen Teil
der Brennstoffverbrauchskurve zu bleiben. Dies wird dadurch erreicht, daß alle Gaserzeuger
gleichzeitig längs der idurchgezogenen Linien 25 von 100% Schub bis herunter zu
50 % Schub betrieben werden, einem Punkt, bei dem, wenn viel Brennstoff verbraucht
und die Ladung demzufolge leichter geworden ist, es dann möglich ist, einen der
Gaserzeuger 20 auszuschalten und sofort auf die Linie 24 herunterzugehen, auf der
dann entlang des durchgezogenen Teils der Linie 24 der Betrieb bis herunter zu 25
oder 30% Schub fortgesetzt werden kann. Die Betriebsmethode, den Gaserzeuger abzuschalten,
wird angewandt, wenn der Schub in etwa gleich dem zur Aufrechterhaltung von Geschwindigkeit
und Höhe erforderlichen ist. Mit anderen Worten, an einem bestimmten Punkt ist weniger
Kraft erforderlich, um das Flugzeug im gewünschten Flugstand zu halten, und dann
ist es vorteilhaft, einen Gaserzeugger abzuschalten und auf die Linie 24 herunterzugehen.
Dies soll einem Betrieb auf einer einzigen Linie, z. B. Linie 23, die für
andere Bauarten von Schubaggregaten gilt, 'gegenübergestellt werden. Wenn man einen
der Gaserzeuger absichtlich abschaltet und auf Linie 24 heruntergeht, kann man sofort
sehen, daß bei 30% Schub der spezifische Kraftstoffverbrauch nur 1,06 beträgt
oder nur 6% über die 10011/o Schubeinstellung angestiegen ist, gegenüber einem Ansteigen
von 22 % (1,22 auf der Linie 23), das erfolgen würde, wenn :der Betrieb auf
Linie23 fortgesetzt werden würde. Durch die neuartige Triebwerksanordnung kann also
eine beträchtliche Brennstoffersparnis erreicht werden.
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Eine ähnliche Betriebsweise ergibt sich für drei Gaserzeuger, wie
aus Fig. 6 hervorgeht. Da der Brennstoff während des Flugs verbraucht wird
und damit sich das Fluggewicht verringert, erfolgt der Betrieb längs der ausgezogenen
Linie 26, um immer im Bereich eines niedrigen spezifischen Brennstoffverbrauchs
zu arbeiten. Würde man jedoch den Betrieb auf !der Linie für drei Gaserzeuger bis
zum 301/oigen Schub fortsetzen, dann würde dies einen Anstieg des spezifischen Brennstoffverbrauchs
von 2411/o mit sich bringen (1,24 auf der Linie für drei Gaserzeuger); schaltet
man jedoch zwei Gaserzeuger ab, dann ist es möglich, zwei Linien oder Kurven nacheinander
herunterzugehen bis zu einem Anstieg des spezifischen Brennstoffverbrauchs von nur
5% (1,05 auf der Linie für einen Gaserzeuger). Offensichtlich bedeutet,dies
eine außerordentliche Ersparnis und Verbesserung in den Kosten bei groß-en Flugweiten
und Unterschallbetrieb.
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Es muß noch auf ein weiteres wichtiges Merkmal hingewiesen werden.
Diese große Ersparnis im Brennstoffverbrauch wird bei, der Abschaltung der Gaserzeuger
bei einem nur geringen Schubverlust erzielt. Bekanntlich führt bei mehreren Gaserzeugern,
die die Gebläse speisen, der Ausfall eines einzigen Gaserzeugers nicht zu einem
proportionalen Schubverhist. So gehen z.B. bei dem Schubaggregat von F I
g. 3, wenn einer der beiden Gaserzeuger 20 stillgelegt wird, nur 37% des
Schubes der Gebläse16 und 17 verloren, anstatt 50%. Dies ist wegen der Leistungs-Drehzahlabhängigkeit
der Fall, die bei mehreren Gaserzeugern, die mehrere Gebläse antreiben, besteht.
Durch Abschalten eines Gaserzeugers in der Ausführungsform der F i g. 3 gehen
also nur 37% des Schubes verloren. An einem bestimmten Punkt der Flugstrecke ist
auf Grund der #eingetretenen Gewichtsabnahme des Flugzeugs durch Triebstoffverbrauch
ein geringerer Schub erforderlich, um die Fluggeschwindigkeit beizubehalten. Es
wird angenommen, daß dieser erforderliche Schub 30% des Vollschubes beträgt. Der
erforderliche Schub kann entweder durch ein oder zwei Gaserzeuger erhalten werden.
Wenn zwei Gaserzeuger verwendet werden, dann erkennt man aus den Kurven in F i
g. 5, daß der spezifische Brennstoffverbrauch bei 301/o Schub um 220/(h (1,22
auf der Kurve für zwei Gaserzeuger) höher ist als bei Vollschub (Wert
1,0 auf dieser Kurve). Wenn jedoch ein Gaserzeuger abgeschaltet wird, dann
zeigt die Kurve nur ein-en Anstieg von 6 % (1,06 auf der Kurve für
einen Gaserzeuger). Es wird nicht nur der spezifische Kraftstoffverbrauch beträchtlich
durch die Abschaltung eines Gaserzeugers verringert, sondern es wird noch 631/o
des Gesamtschubes, der unter beliebigen gegebenen Bedingungen von zwei Gaserzeugern
erhalten wird, erzeugt.
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Einen ähnlichen bemerkenswerten Erfolg erzielt man bei einem Schuhaggregat
mit drei Gaserzeugern. Bei dieser Anordnung bewirkt der Ausfall eines Gaserzeugers
nicht einen Schubverlust von 33%. Nur 23% der Schübe werden beim Abschalten eines
der
drei Gaserzeuger eingebüßt, und der Schub der verbleibenden
beiden Gaserzeuger entspricht 77% des Gesamtschübes und nicht 67%. Wie Fig.
6 zeigt, kann bei 30 11/odes. Schubes bei Abschaltung von zwei Gaserzeugem
der Betrieb wirkungsvoll durchgeführt werden, wobei nur etwa eine 6%ige, Zunahme
(1,06 auf der Kurve füreinen Gaserzeuger) des spezifischen Kraftstoffverbrauchs
erfolgt.
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Der Zeitpunkt für die Abschaltung der Gaserzeuger wird dann gewählt
wenn der Schub, der erforder-]ich ist, umdie, Fahrz#euggeschwindigkeit und, sofern
C
es sich um ein Flugzeug handelt, auchdie Flughöhe beizube,halten, gleich
demjenigen ist, der, wie aus F i g. 5 hervoroleht, nach Abschaltung eines
Gaserzeugers zur Verfügung steht, und zu einem späteren Zeitpunkt der Reise, gemäß
F ig. 6, nach Abschaltung von zwei Gaserzeugern. Sobald diese Schubwerte
vorhanden sind, sind einer oder mehrere Gaserzeuger auszuschalten, um sicherzustellen,
daß der Betrieb in dem flachen Teil der Kurven fÜr den spezifischen Brennstoffverbrauch
erfolgt mit den Vorzügen, die oben angeführt worden sind.
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Um bei den Schubaggregaten weitere, Nutzeffekte, zu erzielen, ist
es vorteilhaft, die Gondel und die in dieser angeordneten Gaserzeuger, wie gezeigt,
bezogen auf die Gebläse, nach vorn zu ziehen, so daß die, Gaserzeuger einen störungsfreien,
Lufteintritt haben.
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F i g. 7 ist eine Querschnittansicht eines Gebläses. .Dieses
Gebläse besitzt Umfangsturbinenlaufschaufeln 27, die auf Gebläseschaufeln
28 sitzen, die von einem Leitkörper 29 getragen werden und im Gehäuse
30
rotieren. Innerhalb der Gehäuse sind Kanäle 31, 32
vorgesehen, um
die Abgase der Gaserzeuger der Umfangsturbine zuzuführen, und das Gebläse
28 anzutreiben.
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In, F i g. 8 ist ein Schubaggrpgat mit zwei Gaserzeugern schematisch
dargestellt. Wie in -dieser Figur gezeigt wird, können Leitkanäle 31 vom
oberen Gaserzeuger 20 denhalben Umfang eines jeden Gebläses kann 16 und getrennt
17 versorgen. jedes der Ein Gebläse ähnlicher 16 und Gasleitkanal 17 mit der 32
Hälfteder vom unteren Gaserzeuger 20 entwickelten Gase beliefern.
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F i g. 9 zeigt schematisch die Gasleitvorrichtung für ein Schuhaggregat
mit drei Gaserzeugern. Der obere Gaserzeuger 20 kann über Leitungen 33 und
34 einen Umfangsbereich von 1201 eines jeden Gebläses versorgen. In ähnlicher Weise
gibt jeder der beiden anderen Gaserzeuger über eine getrennte bogenförmige Leitung
die Abgase an ein Drittel des Umfangs eines jeden Gebläses ab. Es ist möglich, die
Zahl der Gaserzeuger über drei zu erhöhen.