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Antriebsvorrichtung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Antriebsvorrichtung zum Betrieb unter wechselnden Lastbereichen.
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Beim Betrieb unter wechselnden Lastbereichen verwendet man in den
meisten Anwendungsfällen als Antriebsvorrichtung den bekannten Eolbenmotor, der
die zur Verbrennung in seinen Brennräumen notwendige Luft, gegebenenfalls auch mit
Treibstoff vermischt, selbst ansaugt. Neben den bekannten Nachteilen (oszillierende
Massen etc) ist dieser Motor nicht zufriedenstellend, wenn das Ansaugen erschwert
ist, bzw. wenn er aufgeladen werden soll; im ersten Fall entsteht in der Ansaugleitung
bei Erhöhen der Motordrehzahl ein Unterdruck, der zu anschließendem Abfall der Motordrehzahl
bzw. zur Leistungsminderung führt. Zwar hat man versucht, diesem Mißstand durch
Kompressoren, die sogenannte Aufladung, abzuhelfen, doch ist es bisher verhältnismäßig
schwierig gewesen, jedem Lastbereich des Motors durch einen Kompressor bei ständig
gleichbleibendem Druck die nötige Luftmenge zuzuführen.
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Da die oszillierenden Massen eines Kolbenmotors in vielen Fällen von
Nachteil sind, hat man versucht, Gasturbinentriebwerke dort anzuwenden, wo bisher
Kolbenmotoren angewandt worden sind: Z.B.
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bei Lastkraftfahrzeugen experimentiert man bereits seit längerem mit
derartigen Antrieben, jedoch ohne zufriedenstellendes Ergebnis.
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Der größte Nachteil bei den Gasturbinentriebwerken liegt darin, daß
der Verdichter der Gasturbine, der als radial oder axial wirkender Turboverdichter
ausgelegt ist, nur in einem engen Drehzahlbereich das gewünschte Verdichtungsverhältnis
erbringt. Insbesondere in Teillastbereichen muß daher normalerweise der Verdichter
auf voller Drehzahl gehalten werden, wobei überschüssige verdichtete Luft nutzlos
abgeführt werden muß. Hierdurch verschlechtert sich noch der Wirkungsrad der Gasturbine
im Teillastbereich, indem ohnehin die Kenngrößen der Gasturbine schon schwer beherrschbar
werden.
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Es gibt aber auch Fälle, in denen hochgespannte, sehr heiße oder chemisch
aggressive Gase entspannt werden müssen, wobei die Nutzung der hierbei freiwerdenden
Energie zweckmäßig wäre; in diesen Fällen ist bisher weder ein Kolbenmotor nutzbar,
der wegen seiner aufeinander gleitenden Oberflächen ohnehin nur eine gewisse Anzahl
an verwendbaren Materialien zuläßt, dessen Materialien also nicht aufgrund ihrer
Sorrosionsfestigkeit gegenüber beliebigen Chemikalien ausgewählt werden können;
weiterhin ist die Kühlung eines Kolbens derartig schwierig, daß man zur Handhabung
besonders heißer Medien einen Kolbenmotor bisher nicht betreiben konnte;
schließlich
fahrt bei Verunreinigung des Arbeitsmediums die allgemeine Charakteristik des Kolbenmotors
zu erheblichen Betriebsstörungen, wie sie z.B. als sogenannter Wasserschlag bei
Kolbendampfmaschinen bekannt sind. Auch Turbinen, die ja zum Betrieb bei wesentlich
höheren Temperaturen ausgelegt werden können, weisen beträchtliche Nachteile auf:
Der größte dieser Nachteile liegt in der mitunter sehr hohen Umfangsgeschwindigkeit
an der Spitze der Turbinenschaufeln, die wiederum die Auswahlamöglichkeiten für
das Schaufelmaterial erheblich eingrenzen, da bestimmte Festigkeitswerte nicht unterschritten
werden dürfen. überdies führt bei Auftreten von Verunreinigungen die hohe Umfangsgeschwindigkeit
zu speziellen Schäden, wie sie z.B als sogenannte Tröpfchenerosion bei den Niederdruckstufen
von Dampfturbinen bekannt sind.
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Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein neues Antriebselement zum Betrieb
in Antriebsvorrichtungen zu finden, das die eingangs genannten Nachteile zumindest
zum Teil überwindet, das insbesondere die gute Regelbarkeit von aufgeladenen Kolbenmotoren
sowie von Gasturbinen bei wechselnden Lastbereichen gewährleistet, und das die Nutzung
hochgespannter, sehr heißer oder aggressiver Gase zum Antrieb der Antriebsvorrichtung
ermöglicht.
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Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen aus zumindest zwei der
erfindungsgemäßen Antriebselemente zusammengesetzten Motor zum Wellen- oder Strahl
antrieb zu finden.
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Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Antriebsvorrichtung einen an sich bekannten Schraubenkompressor als Grundelement
aufweist Beim Schraubenkompressor ist die geförderte'Menge drehzahlabhängig wobei
sonst nur für Turbokompressoren übliche Durchsätze und Druckverhältnisse erzielt
werden. Es laufen zwei Förderschnecken mit Schrägverzahnung zueinander berührungsfrei
in einem gemeinsamen Gehäuse, wobei sich die Gänge dieser Förderschnecken längs
der Achse verkleinern. Ein derartiger Schraubenkompressor liefert nahezu kontinuierlich
ein ständig gleichbleibendes, hohes Druckgefälle. Dieses Druckgefälle bleibt, relativ
unabhängig vom Durchsatz, bestehen. Der Durchsatz wird von der Drehzahl der beiden
Läufer des Schraubenkompressors bestimmt; das Verhältnis von Drehzahl zur Fördermenge
ist hierbei nahezu direkt proportional.
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Derartige Schraubenkompressoren sind gegenwärtig im Einsatz, beispielsweise
als Baustellenkompressoren.
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Obwohl derartige Schraubenkompressoren bereits seit langem bekannt
sind, brauchte es fast ein Jahrhundert bis diese Kompressor ren verwendungsfähig
waren. Hieraus dürfte ein Vorurteil der Fachwelt erklärbar sein, das darin besteht,
daß derartige Schraubenverdichter nicht mit der Zuverlässigkeit funktionieren, die
im Zusammenhang mit Antriebsvorrichtungen gefordert ist.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Schraubenkompressor
als Einspeisung für eine Brennvorrichtung dient.
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Hierbei wird ein zur Verbrennung notwendiger Stoff in Gas-, Dampf-,
oder Mischphase (etwa als Nebel) durch den Schraubenkompressor der Brennvorrichtung
zugeführt; diese Brennvorrichtung benötigt, etwa wie die Brennkammer einer Gasturbine
oder ein Staustrahltriebwerk, ständig einengleichhohen exakt definierten Eingangsdruck.
Dieser Eingangsdruck darf auch im Teillastbereich niemals seinen Wert nennenswert
unterschreiten, da sonst Flammen zurückschlagen könnten; bei plötzlichem Lastwechsel
darf dieser Druck auch nicht stark ansteigen, da er sonst etwa zum Erlöschen einer
Brennflamme führen könnte. Der Schraubenverdichter aber liefert ständig gleichen
Druck, wobei seine Fördermenge linear drehzahlabhängig ist; hierbei genügt eine
einfache Koppelung des Verdichters mit der Abtriebswelle der Antriebsvorrichtung,
zu der die Brennvorrichtung gehört, um dafür zu sorgen, daß je nach Drehzahl jeweils
die zum Brennvorgang notwendige Menge an Ausgangsstoff bzw. -stoffen bereitgestellt
wird.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Arbeitsvorrichtung
ein an sich bekannter Kolbenmotor ist.
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Hierbei kann der Schraubenkompressor beispielsweise als Luft verdichter
zur Aufladung des Motors verwendet werden. Wegen der bereits vorstehend beschriebenen
Charakteristik kommt der Schraubenverdichter diesem Zweck gerade deshalb besonders
gut nach, weil er im weiten Lastbereich wegen seines konstanten Ausgangsdrucks für
eine gleichmäßige Aufladung der Brennräume
sich sorgt. Hierbei paßt/durch
die lineare Abhängigkeit der Fördermenge von der Drehzahl des Verdichters die an
den Motor gelieferte Luftmenge selbsttätig der Motordrehzahl und den hieraus resultierenden
Erfordernissen an. Natürlich kann ein derartiger Schraubenkompressor auch über einen
Regelantrieb betrieben werden, falls in die Fördermenge des Verdichters neben der
Motordrehzahl auch noch andere Parameter eingehen sollen, wie z.B. Motortemperatur;
hierbei erweist sich wiederum die lineare Charakteristik des Verdichters als besonders
vorteilhaft, da'hierdurch eine einfache Regelvorrichtung zur Anwendung kommen kann,
die nicht ihrerseits noch eine ähnlich komplizierte Abhängigkeit von Druck-, Fördermenge
und Drehzahl aufweist, wie sie z.B. bei Turboladern üblich ist. Ein derartiger Kompressor
kann im übrigen auch durch einen Antrieb im Abgas des Motors betrieben werden, beispielsweise
durch eine Abgasturbine.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Antriebsvorrichtung
eine an sich bekannte Gasturbine ist. Hierbei erweist sich als besonders vorteilhaft,
daß der Schraubenkompressor durchsatzunabhängig weitgehend denselben Ausgangsdruck
liefert.
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Hierdurch wird es ermöglicht, in wirtschaftlicher Weise eine Gasturbine
insbesondere für wechselnde Lastbereiche vorzusehen, wobei der Schraubenkompressor
ständig bei gleichem Ausgangsdruck die jeweils benötigte Luft an eine Brennkammervorrichtung
liefert.
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Natürlich kann der Verdichter mit der Turbinenwelle über eine Drehzahlregelung
verbunden sein, oder selbst drehzahlregelbar sein,
etwa wenn zusätzlich
zur Turbinendrehzahl noch andere Parameter in die Verdichterdrehzahl mit eingehen
sollen, etwa die abzugebende Wellenleistung; eine derartige Ausgestaltung ist besonders
zweckmäßig beim Betrieb einer elektrischen Stronverda sorgung mittels einer Gasturbine,/hierbei
ständig die gleiche Drehzahl so genau wie möglich beibehalten werden muß, wobei
lediglich die an den Stromerzeuger abgegebene Wellenleistung sich dem Stromabnahmebedarf
anzupassen hat. Zum Einhalten einer derartigen gleichmäßigen Drehzahl auch bei Lastschwankung
ist es aber besonders wichtig, daß der Eingangsdruck an der Brennkammer durchsatzunabhängig
stets beibehalten wird, so daß auch der Ausgangsdruck der Brennkammer gleichbleiben
kann; somit kann die Last anpassung der Turbine allein über den Durchsatz gesteuert
werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die zur
Verbrennung notwendige Luft im Schraubenkompressor gefördert wird. Hierbei ist besonders
von Vorteil, daß der Schraubenkompressor im Stande ist, selbst stärker verunreinigte
Gase zu fördern: Eine derartige Verunreinigung besteht bei Fahrzeug-oder Flugantrieben
durch Stau, Kleintiere oder Wasser. Da der Schraubenkompressor keine gleitende 3erühung
zwischen den einzelnen Läufern und dem Gehäuse, sowie zwischen den Läufern untereinander
aufweist, können etwa in der Luft enthaltene inkompressible Stoffe über die Dichtspalte
hin zur Seite gedrückt werden. Es entfällt also die sonst bei Kolbenverdichtern
notwendige gute Vorreinigung der angesaugten Luft, bzw bei urbo
verdichtern
die wegen der hohen Umfangsgeschwindigkeit der Verdichterschaufeln bestehende Beschädigungsgefahr.
Zwischen Verdichter und Brennvorrichtung kann in der Druckleitung allenfalls ein
Abscheider für Verunreinigungen vorgesehen werden, der aber wegen des geringeren
von ihm geförderten Euftvolumens sehr viel kleiner sein kann, als er im Niederdruckbereich
vor dem Sompressor sein müßte. Als Verdichter einer Gasturbine kommt weiterhin noch
der Vorteil zum Tragen, daß in einer Stufe eines Schraubenkompressors trocken etwa
8 at, bzw. bei Einspritzung 1o - 12 at Druckgefälle aufgebracht werden, es ist für
ein derartiges Trieb werk also ein Verdichter mit nur sehr wenigen Stufen vorzusehen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß im Schraubenkompressor
Brennmedium gefördert wird. Hierbei besteht weder der Vorteil, daß unabhängig vom
Druck im Brennmedium, und unabhängig von der zu fördernden Menge hinter dem Schraubenkompressor
immer der gleiche Druck auftritt; hierdurch wird insbesondere der Betrieb von Motoren
verbessert, bzw. ermöglicht, die aus einem verhältnismäßig großen Gasreservat betrieben
werden, wie z.B. Paulgasmotoren, oder Motoren, die aus einem Feststoff-Gaserzeuger
betrieben werden, wie beispielsweise Holz-oder Kohlengasmotoren; bei den letztgenannten
hat man die Erfahrung gemacht, daß nach Öffnen der Drosselklappe im Motor zunächst
ein Leistungsabfall auftritt, der erst allmählich über den Gaserzeuger ausgeglichen
wird; wird eine erfindungsgemäße Pumpe zwischen Gaserzeuger und Motor angeordnet,
dann wird etwa
bei Öffnen einer Drosselklappe, über den schneller
drehenden Schraubenkompressor sofort die Lieferung einer größeren Gasmenge an den
Motor bewirkt, und zwar unabhängig vom Gasdruck innerhalb des Gaserzeugers. Auch
bei Betrieb eines herkömmlichen Motors mit Flaschengas könnte durch Vorsehen eines
kleinen Ausgleichbehälters die bessere Steuerbarkeit des Motorverhaltens gewährleistet
werden.
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Selbstverständlich kann ein Antrieb mit mehreren Schraubenkompressoren
ausgestattet werden, beispielsweise zur Aufladung mit Luft und zur Aufladung mit
Brennstoff.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich darauf, daß
Luft und Brennmedium gemeinsam in einen Schraubenkompressor gefördert werden. Hierbei
können Luft und Brennmedium beispielsweise bereits vor Eintritt in den einen Schraubenkompressor
gemischt werden; der Schraubenkompressor besorgt somit die Aufladung eines Motors
mit bereits brennfähigem Gemisch, das durch das Komprimieren bereits vorgewärmt
und somit zündfähiger gemacht wurde. Im übrigen werden Verbrennungsluft sowie Brennmedium,
wie beispielsweise ein Brennstoffmedium, während des gemeinsamen Komprimierens und
aufgrund der schraubenförmigen Bewegung die sie gemeinsam im Verdichter zurücklegen,
derart innig vermischt, daß, zusammen mit der Vorerhitzung während des Komprimierens,
auch bisher nicht in motorennutzbare oder nur schwer nutzbare Brennstoffe verwendet
werden können, wie beispielsweise Schweröl. Hierbei ergibt sich bei der Verwendung
flüssiger oder nebelförmiger Medien
noch der zusätzliche Vorteil,
daß diese Medien die Spalten zwischen den Schraubenläufern untereinander sowie zwischen
den Schraubenläufern und den Wandungen des Kompressors derart abdichten, daß Ballverluste
verhindert werden. Es kann in diesem Fall ein erheblich größeres Druckgefälle mit
einem Schraubenkompressor aufgebaut werden, als es ohne Flüssigkeitsdichtung der
Fall wäre. Mit einem derartigen Schraubenkompressor könnte beispielsweise die Gesamtversorgung
von Brennräumen aller Art bewerkstelligt werden, beispielsweise von Gasturbinen,
wobei die homogene Verteilung des Brennstoffs in der Luft des Brennraums durch die
Vorvermischung gewährleistet ist. In gleicher Weise können auch Kolbenmotoren, und
zwar mit herkömmlichen oder mit Rotationskolben, mit nur schwer brennbaren Treibstoffen
versorgt werden; selbst ein nach dem Dieselprozeß arbeitender Motor wäre möglich,
soweit der Druck im Verdichter nicht den Zünddruck erreicht. Ein besonders vorteilhafter
Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung wärenbeispielsweise bi Glühkopfmotoren,
wie sie bei kleineren Schiffen und bei Stationärmotoren häufig Verwendung finden.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das Brennmedium
an einer Anzapfstelle längs des Schraubenkompressors eingebracht wird. Hierbei kann
der Brennstoff an einer bestimmten Stelle, wo ein notwendiger Druck oder eine notwendige
Temperatur vorliegt, längs des Schraubenverdichters eingespeist werden. Hierbei
liegt der Vorteil des Schraubenverdichters gegenüber dem Eolben
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wie auch gegenüber dem Turboverdichter darin, daß vom Ausgangs- bis zum Enddruck
kontinuierlich ein Druckanstieg vorliegt, so daß jeder gewünschte Druck abgegriffen
werden kann; dies ist bei den vorbeschriebenen, diskontinuierlich wirkenden Maschinen
nicht möglich. Hierbei kann durch Vorwahlen der Einspritz- oder Einlaßstelle der
Motor optimal an ein jeweils vorliegendes Betriebsmittel angepaßt werden, und zwar
nach dem auftretenden Druck an Erd-, Leitungs- oder Faulgas, sowie Holz- oder Kohlengas,
wobei hinter der Einlaßstelle während des weiteren Verdichtens etwa enthaltener
Teer im Brennstoff doch soweit verdampft wird, daß er im nachfolgenden Antrieb verbrennbar
ist. Flüssigbrennstoffe können an einer Stelle eingespritzt werden, wo die Temperatur
im komprimierten Medium bereits so hoch ist, daß eine sofortige Vergasung gewährleistet
ist und somit ein etwaiges Verstopfen des Kompressors mit Flüssigkeit ausgeschlossen
wird.
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So könnte beispielsweise bei einem aufgeladenen Zweitakt-Kolbenmotor
Schmieröl beim Eingang des Kompressors der angesaugten Luft zugesetzt werden, um
somit den Kompressor abzudichten, das Druckgefälle zu erhöhen, und den Kompressor
als feiner, heißer Tröpfchennebel zu verlassen, während, um die Schmiereigenschaft
des Öls nicht zu stören, gegen Ende des Kompressors durch eine Anzapfung Treibstoff
eingespritzt wird, der dort in Anbetracht der herrschenden Hitze sofort vergast;
es wird somit ein drei Zustände aufweisendes Medium an den Motor geliefert: Es enthält
Luft, verdampften Brennstoff und Schmierölnebel.
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Ein Aufgeben von Brennmedlum vor dem Verdichter oder eine Einspeisung
längs des Verdichters kann auch von beliebigen Parametern gesteuert werden; so kann
es z.B. zweckmäßig sein, ein besonders leicht entzündliches, gasförmiges oder flüssiges
Brennmedium der komprimierten Luft beizumengen, wobei die Beimengung temperaturabhängig
erfolgt; eine derartige Maßnahme hätte ihren Zweck beispielsweise als Kaltstartvorrichtung
für Dieselmotoren.
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Nach dem Kompressor und/oder Motor eine bestimmte Temperatur erreicht
haben, unterbleibt die weitere Zufuhr von leichtbrennbarem Mittel.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß mehrere
Einlässe zum Einbringen von Brennmedium vorgesehen sind. Hierbei kann ein Vielstoffmotor
mit verschiedenen, gegebenenfalls sogar umschaltbaren Einlässen versehen werden,
die je nach verwendetem Medium benutzt werden; so ist es z.B. beim Benutzen von
Treibstoff mit niedriger Oktanzahl zweckmäßig, diesen Treibstoff erst unmittelbar
am Ende des Verdichters einzuspritzen, um zu verhindern, daß unzulässig hohe Drücke
ein vorzeitiges Zünden des Treibstoffs ausschließen. Ebenso ist es bei Treibstoffen
mit niedrigem Flammpunkt zweckmäßig, sie gegen Ende des Verdichters einzuspritzen,
da die dann nur noch kurzzeitig wirkende Erwärmung die Treibstofftröpfchen nicht
mehr bis zum Flammpunkt aufheizt. Darüber hinaus könnte ein Motor mit mehreren Einlässen
gleichzeitig betrieben werden, wobei etwa zu einem Standardtreibstoff
mehrere
Zusatztreibstoffe aufgeschaltet werden, etwa um die Startfähigkeit zu bessern, oder
um bei hoher Motorlast und hoher Temperatur einsetzendes Klopfen durch Zumengan
von Treibstoffen hoher Oktanzahl zu verhindern. So ist es beispielsweise auch möglich,
einen stationären und mit Faulgas betriebenen Motor durch Aufschalten beispielsweise
von Leitungsgas zu höherer Leistungsabgabe zu bringen, als dies dem Anfall von Faulgas
entsprechend möglich wäre; somit ist es möglich, beispielsweise in einem Betrieb
sämtliche etwa brennbaren Abfallgase zu einem gemeinsamen Motor einer Verwendung
zuzuführen, wobei der Leistungsüberbedarf des Motors durch herkömmliche Treibstoffe,
wie das schon erwähnte Leitungsgas, gedeckt werden kann.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Stelle zum
Einbringen von Brennmedium variierbar ist. Hierbei kann wahrend des Betriebes, etwa
durch Umschalten von einem Einlaß auf den anderen, oder durch einen verschieblichen
Einlaß, die jeweilige Einlaßstelle-für den Brennstoff oder die Brennstoffe verändert
werden. Somit wäre beispielsweise eine temperaturabhängige Einspritzung von Flüssigkräftstoff
möglich, wobei je nach Kompressorentemperatur die Einspritzstelle so gelegt wird,
daß am Ende des Kompressors die Flüssigkeit voll vergast ist, aber noch keine Gefahr
von Zündungen besteht. Es könnte somit über eine geeignete Regeleinrichtung, die
etwa den Zeitunterschied zwischen Zündfunken und erfolgender Zündung im Motorbrennrawn
mißt,
eine selbsttätige Anpassung des Kompressors an den jeweils
verwendeten Betriebsstoff und an jeweils vorliegenden Betriebszustand erfolgen.
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Bei einem herkömmlichen Fahrzeug oder Motor würde ein Kompressor,
der Luft und Brennmedium gleichzeitig dem Motor zuführt, die Stelle des bisherigen
Vergasers einnehmen.
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Eine Austestaltung der Erfindung besteht darin, daß der gompressor
an seiner Hochdruckseite mit hochgespanntem Antrieb dampf oder - Gas beaufschlagt
wird. Hierbei wirkt der an sich bekannte Kompressor in vollkommen neuer Weise in
umgekehrter Richtung als Motor, wobei er notgedrungen die gleiche günstige Charakteristik
aufweisen muß, wie er sie in seiner Verwendung als Kompressor aufgewiesen hat. Somit
ist zu erwarten, daß sich die Drehzahl nach dem Durchsatz richtet, wobei der Druckabfall
zwischen Hochdruck-- und Niederdruckseite gleich bleibt; somit kann selbst bei einer
Drehzahl, im Gegensatz etwa zu Turboantrieben, stets das gesamte Druckgefälle abgearbeitet
werden.
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Die lineare Zuordnung von Durchsatz und Drehzahl bleibt erhalten.
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Weiterhin bleibt noch zu erwähnen, daß der optimale Betriebsbereich
des Schraubenkompressors zwischen denen der Kolbenpumpe bzw. des -verdichters und
der Turbopumpe bzw. dem -verdichter liegt; analog liegt der optimale Betriebsbereich
des Schraubenmotors, wie im folgenden der umgekehrt verwendete Schraubenkompressor
genannt werden soll, zwischen den optimaien Betriebsbereichen eines Kolbenmotors
und einer Gasturbine.
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Als Antriebsgase dienen in erster Linie Verbrennungsgase, die aus
früheren Stufen einer mehrstufigen Anlage oder aus sonstigen Verbrennungsprozessen
resultieren; so können beispielsweise Auspuffgase in einem erfindungsgemäßen Schraubenmotor
weiterverwendet werden; ist dieser Abgasmotor noch mit einem Schraubenkompressor
auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, oder über ein Getriebe diesem linear zugeordnet,
dann erfolgt über diesen Abgaslader selbsttätig das Aufladen des Motors mit einer
Luft menge, bzw. mit einem Lufttreibstoffgemisch, das exakt dem gegenwärtigen Betriebszustand
entspricht; da die Abgasmenge mit der Drehzahl, bzw. der Leistungsabgabe des Motors
ansteigt, und da analog hierzu ebenfalls der Luft bzw. Treibstoffbedarf des Motors
ansteigt, ist auf diese Weise eine besonders einfache Ausgestaltung eines Abgasladers
möglich.
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Weiterhin können Abgase aus chemischen Prozessen und Raaktionen verwendet
werden; es kann sich hierbei sowohl um Abfallwärme, bzw. um Abfalldruck von chemischen
Prozessen handeln, wie sie z.B. beim Abblasen von Autoklaven bzw. bei Drucksynthese
von Ammoniak auftreten; es kann sich aber ebenso um das Ausnutzen einer chemischen
Reaktion handeln, die speziell zu Antriebszwecken durchgeführt wurde; eine derartige
Reaktion stellt beispielsweise der bei Torpedos eingesetzte sogenannte Walther-Antrieb
dar. Da der Schraubenmotor keine Reibbeständigkeft seiner inneren Oberflächen aufzuweisen
hat, wie etwa der Kolbenmotor, oder Festigkeitswerte, wie sie bei Turbinenschaufeln
verlangt werden,
ist es möglich, den Schraubenmotor aus nahezu
jedem beliebigen Material herzustellen oder zumindest hiermit zu beschichten. Hierdurch
wird es möglich, selbst für die aggressivsten Medien den erfindungsgemäßen Motor
mit einer derartigen Beschichtung zu versehen, daß er den Betrieb durch dieses Medium
unbeschadet übersteht. Weiterhin braucht das Arbeitsgas nicht sauber oder entstaubt
zu sein, da durch die Spalte im Motor in gewissem Umfang auch Flüssigkeit oder Feststoffe
transportiert werden können, ohne dem Motor zu schaden. Hierdurch können speziell
Druckmedien als Äntriebsmedien verwendet werden, deren Temperatur Schwankungen unterliegt
oder die im Sattdampfbereich liegen. Ein etwa auftretendes Kondensat wird nicht
nur störungsfrei durch den Motor durchgefördert, sondern es erhöht durch Zusetzen
der Spalte noch die Dichte und den Wirk1lngsgrad des Motors; da die Umfangsgeschwindigkeit
der Schraubenläufer wesentlich geringer ist als die Umfangsgeschwindigkeit von Turbinenschaufeln,
obwohl beide Antriebe vergleichbare Drehzahlen liefern, stört ein etwa innerhalb
der Stufe auftretendes Kondensat keineswegs; so können beispielsweise erfindungsgemäße
Motoren herkömmlichen Dampfkraftmaschinen noch nachgeschaltet werden, um im Naßdampfbereich
noch letzte Gefälle aufzuarbeiten, bei denen der Betrieb beispielsweise einer Kolbendampfmaschine
zu gefährlich wäre; bei einer Großanlage mit Dampfturbinen kann beispielsweise der
Dampf im Naßdampfbereich abgezweigt werden und erfindungsgemäßen Motoren zugeführt
werden, die Speisepumpen und sonstige Nebenant;riebe speisen; hierdurch wird der
Durchsatz in den letzten Niedercfruckstufen der Dampfturbine verringert, was deren
Ausmaße und somit die Umfangsgeschwindigkeit von deren Schaufeln verringert; hierdurch
wird
die Tröpfchenerosion an den Schaufelspitzen ebenfalls verringert;
der Dampf wird aber nicht ungenutzt wieder dem Kessel zugeführt, sondern sein gesamtes
thermodynamisches Energiegefälle wird mit erfindungsgemäßen Motoren ausgenutzt und
der Gesamtanlage wieder zugeführt, wodurch deren Wirkungsgrad verbessert wird, indem
ein Teil des sonst schwierig zu handhabenden Naßdampfes hierzu verwendet wurde.
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Beim erfindungsgemäßen Motor besteht nicht nur weitgehende Freiheit
in der Wahl eines geeigneten Materials für die Schraubenläufer, sondern es können
ebenso die Schraubenläufer einfach von innen her gekühlt werden; es kann hierbei
eine etwa vom Gas oder Flüssigkeit durchspülte Kühlbohrung vorgesehen werden, es
kann aber auch der genannte Läufer beispielsweise aus Blech oder mittels eines galvanischen
Verfahrens dünnwandig auf ein Rippengestell aufgebracht werden, wobei diese an sich
sehr dünne Oberfläche ständig von einem Kühlmedium beaufschlagt wird, das durch
die Welle des Läufers zu- und abgeführt wird. Somit kann der einzelne Schraubenrotor
außerordentlich heißen Antriebsgasen widerstehen; derartige heiße Gase entstehen
z.B. bei der Wärmeabfuhr aus Kernreaktoren, wobei etwa Helium aus dem Rotorinneren
nach außen geführt wird, einen erfindungsgemäßen Motor passiert und darin sein Druckgefälle
abarbeitet und wieder mm Reaktor zurückströmt. Hierbei dient der erfindungsgemäße
Motor gleichzeitig als Antrieb und als Wärmetauscher; ein zweites Medium, das in
einem vom ersten getrennten Kreislauf strömt, durchströmt die Kolbenschraubenläufer
des Motors, kühlt sie einerseits und transportiert andererseits
die
Wärme zu einer weiteren Wärmekraftmaschine, wo das neugewonnene Wärmegefälle abgearbeitet
wird. Hierbei ist es möglich, daß Druckgefälle mit vier heißen Gasen genutzt werden,
die man bisher aufgrund der technischen Unmöglichkeit, diese Druckgefälle zu nutzen,
ungenutzt lassen mußte.
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Weiterhin kann aber ein erfindungsgemäßer Motor auch ganz einfachmit
Sür Energiezwecke vorhandenen Druckmedien betrieben werden, wie z.B. mit Preßluft;
da der Motor über den Durchsatz bequem in der Drehzahl regelbar ist, wobei die Drehzahl
innerhalb des belastbaren Bereiches lastunabhängig konstant bleibt, ist eine Möglichkeit
geschaffen, wie man z.B. in mit Preßluftkreislauf versehenen Fabrikräumen bequem
Maschinen mit derartigen Motoren antreibt. Derartige Antriebe sind überall dort
nötig, wo wegen beispielsweise hoher Explosionsgefahr elektrische Antriebe nicht
verwendet werden können; die hierbei verwendeten bisherigen Kolbenantriebe liegen
in der Drehzahl verhältnismäßig niedrig, während die bisher verwendeten Turboantriebe
ihre Drehzahl lastabhängig verändern und somit eine sehr aufwendige Drehzahlregelung
benötigen. Lediglich mit dem erfindungsgemäßen Motor ist es möglich, in hohen Drehzahlbereichen
mit einfachen Mitteln Drehzahlen lastunabhängig beizubehalten.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Schraubenkompressor
außer der Hochdruckseite noch längs des Schraubenläufers zumindest eine Einspeisestelle
für Antriebsinedien aufweist.
Hierbei können, jedem Druck entsprechend,
zusätzliche Antriebsmedien in den erfindungsgemäßen Motor eingebracht werden; hierbei
ist lediglich die Dimensionierung der Schraubenläufer derart zu bemessen, daß keine
Verstopfung des Motors eintritt. Im Gegensatz zu mehrstufigen Turbinen oder zu Kolbenmotoren,
die in mehreren Stufen hintereinander angeordnet sind, besitzt der erfindungsgemäße
Motor, auch wenn er in mehreren Stufen hintereinander angeordnet ist, den Vorteil,
daß längs der Schraubenläufer jeder beliebige Zwischendruck abgegriffen werden kann.
Hierdurch ist es in gleicher Weise möglich, zu verschiedenen Druckniveaus alternierend
oder gleichzeitig Arbeitsmedien zuzuführen, oder Arbeitsmedien zu entziehen; somit
kann z.B. Dampf für eine Heizung entzogen werden, bzw. nach einer regenerativen
Aufwärmung oder einer Zwischenüberhitzung wieder zugeführt werden. Hierbei kann
selbstverständlich durch eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung ein eingespeistes Antriebsmedium
derartig auf den Motor aufgeschaltet werden, daß es genau an einer Stelle entsprechenden
Drucks eingespeist wird; hierzu können entweder diskontinuierlich verschiedene vorhandene
Anschlußstellen wahlweise aufgeschaltet werden, oder etwa durch einen Schieber kontinuierlich
eine Anpassung erzeugt werden. Somit ist es ermöglicht, einen Motor mit den verschiedensten
Abfallgasen der verschiedensten Drücke zu beaufschlagen und somit innerhalb eines
Herstellungsprozesses mehrere anfallende Abfallgase, deren einzelne Nutzung sich
jeweils nicht lohnen würde, gemeinsam dennoch einer lohnenden Nutzung zuzuführen;
hierbei kann jeweils am geeigneten Druckniveau noch bei besonderem
Leistungsbedarf
zusätzliches Druckmedium, z.B. aus einer Brennkammer stammend, aufgeschaltet werden.
Falls das Druckgefälle nicht so hoch ist, können derartige Einspeisungen alle innerhalb
derselben, einzigen Stufen stattfinden.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß innerhalb eines
von einem Schraubenkompressor gebildeten Motors eine Verbrennung stattfindet. Hierbei
kann entweder zwischen zwei aufeinander folgenden Stufen des Motors eine Zwischenbrennkammer
angeordnet sein, oder eine örtliche Erweiterung in einer Stufe vorgesehen sein,
wo die Verbrennung stattfindet; schließlich ist es noch möglich, örtlich in den
Motor Brennstoff einzuspritzen und für dessen Verbrennung zu sorgen. Hierbei kann
als Einspritzstelle der Beginn des Motors vorgesehen werden, wobei der Brennbeginn
erst an einer bestimmten Stelle einsetzt. Hierbei kann der Druckabfall des Antriebsmediums
im Motor dadurch verringert werden, oder bei ständiger Leistungsabgabe auf gleichem
Niveau gehalten werden, indem allmählich geringe Mengen von Brennstoff zugeführt
werden, der bei seiner Verbrennung gerade so viel zusätzliche Antriebsgase entwickelt,
daß der Druckabfall im Antriebsmedium verringert wird. Diese: Verbrennung; kann
hierbei durch Fremd- oder Selbst zündung verursacht werden. Es ist möglich, daß
lediglich das eingebrachte Brennmittel zusammen mit einem Oxydator das Antriebsmedium
des Motors darstellt; hierbei kann das Brennmittel vor einer oder in einer Stufe
des Motors eingebracht werden; wird
es vor dem Motor eingebracht,
dann kann es hochdruckseitig gerade soweit in den Motor gefördert werden, daß eine
Druckbarriere in Gegenstromrichtung besteht; von dort an muß der Brennverlauf so
erfolgen, daß niemals ein ansteigender Druckgradient erzielt wird.
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Wie bereits vorher dargestellt, kann eine Einspeisung aber längs der
Schraubenläufer stattfinden, wobei mehrere, möglicherweise wahlweise aufschaltbare
Einbringstellen vorgesehen sein können, bzw. eine oder mehrere veränderliche Einbringstellen.
Es kann hierdurch erzielt werden, daß, etwa durch mehrfaches Einspritzen kleiner
Brennstoffmengervein ein sehr glatter Brennverlauf erzielt wird; hierbei ist lediglich
darauf zu achten, daß niemals längs des Schraubenmotors ein ansteigender Druckgradient
in Strömungsrichtung gesehen, erzielt wird; hierdurch würde der Motor unweigerlich
verstopfen. Es ist beim Starten eines derartigen Motors lediglich darauf zu achten,
daß er auf Betriebsdrehzahl gebracht wird, um somit das zu seinem Betrieb notwendige
Druckgefälle in seinem Inneren aufzubauen. Eine derartige alleinige oder zusätzliche
Verbrennung innerhalb des Schraubenmotors kann sowohl zum Erreichen eines glatteren
Verbrennungsablaufes dienen, als auch er etwa zur Verwendung mehreBrennstoffe, die
einzeln oder gleichzeitig bei einem entsprechenden Druckniveau eingespeist werden;
darüber hinaus ist es auch möglich, eine gewisse Leistungsanpassung (Sparbetrieb)
durch ein leistungsabhängiges Verstellen der Einspritzstelle vorzusehen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Vorrichtung
zumindest einen Schraubenkompressor als Verdichter und zumindest einen entgegengesetzten
Schraubenkompressor als Motor aufweist, wobei zwischen beiden ein Reaktionsraum
angeordnet ist. Gemäß der Erfindung handelt es sich bei dieser Ausgestaltung um
einen "Vollmotor't. Hierbei sind zumindest zwei entgegenwirkende Schraubenverdichter
entsprechender Auslegung, die jeweils ein-oder mehrstufig sein können, auf gemeinsamen
oder getrennten Wellen angeordnet. Eine zwischen beiden zwischengeschaltete Brennkammer
kann möglicherweise nur aus einer Aussparung zweier gegenläufiger, in dieselbe Welle
eingeschnittener Schraubenwindungen bestehen, in die Brennstoff eingebracht wird,
der in dieser'Brennkammert' gezündet wird. Auch hier ist wieder darauf zu achten,
daß der hochdruckseitige Ausgangsdruck des Verdichters den maximal möglichen Brennkammerdruck
nicht unterschreitet. Hierdurch ist ein Triebwerk geschaffen, das über einen breiten
Leistungs- und Drehzahlbereich hinweg wirtschaftlich betrieben werden kann, und
das überdies eine sehr hohe Leistungsdichte aufweist; durch zusätzliches Aufschalten
mehrerer Nebeneinund-ausgänge kann zusätzlich bewirkt werden, daß der erfindungsgemäße
Voll motor mit allen möglichen Antriebsstoffen unter gleichzeitiger oder wechselseitiger
Verwendung betrieben werden kann.
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Hierbei kann der Motor so bemessen sein, daß auf seiner Niederdruckseite
noch ein derart nennenswerter Restdruck gegenüber der Umgebung besteht, daß dieser
Motor als Strahlantrieb zusätzlich verwendet werden kann; schließlich ist es möglich,
den Motor
derart auszulegen, daß er lediglich die zum Antrieb des
Verdichters notwendige Leistung aufbringt. Es gilt die Formel; S = in (va-ve). Druckschub
mit Va = Auspuffgeschwindigkeit und ve = Eintrittsgeschwindigkeit. Hierbei kann
etwa nach Art des bekannten Nachbrenners Treibstoff bereits in den Motor eingespritzt
und dort gezündet werden, wenn gewährleistet ist, daß in Strömungsrichtung längs
des Motors kein ansteigender I)ruckgradient auftritt.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß Verdichter
und Motor gleich ausgelegt sind. Bei dieser "Modulbauweise" besteht der Vorteil
darin, daß Motor und Verdichter mit den gleichen Werkzeugen und Vorrichtungen hergestellt
werden können; es kann sogar von Vorteil sein, daß Motor und Verdichter genau identisch
sind. Nachdem der Verdichter den gleichen Massendurchsatz erzeugt wie der Motor,
wobei gleiche Drehzahl vorausgesetzt ist, und da durch eine zwischengeschaltete
Brennkammer grundsätzlich zusätzliche, vom Motor zu bewältigende Massen erzeugt
werden, kann ein derartiger Motor entweder dadurch betrieben werden, daß der Verdichter
auf einer zur Motordrehzahl in Relation stehenden, niedrigeren Drehzahl betrieben
wird, wobei die Drehzahlen zueinander so abgestimmt sind, daß der schnellerdrehende
Motor jeweils den anfallenden Massendurchsatz an Verbrennungsgasen bewältigt. Es
kann aber auch etwa bei gleichschnellen drehenden Verdichter und Motor die dann
anfallende überschüssige Verdichterluft abgezweigt werden, um als Preßluft
Verwendung
zu finden. Derartige PreBluft kann beispielsweise-zum Betrieb von Nebenantrieben,
bzw. als Bremsluft verwendet werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich darauf, daß
nicht brennbares Medium in den als Motor verwendeten Schraubenkompressor eingebracht
wird. Das zusätzliche Einspeisen von Nichtantriebsmedien, das an Stellen geeigneten
Drucks und/oder geeigneter Temperatur erfolgt, dient zum Kühlen hochtemperierten
Arbeitsmediums bzw. zum Ausnutzen des Wärmegefälles eines an sich schon niedergespannten,
aber noch heißen Arbeitsmediums; so kann z.B. durch Einspritzen von Wasser in die
noch heißen Verbrennungsgase eines herkömmlichen Motors im Auspuff an Stellen s
bereits fallenden Drucks erzielt werden, daß durch den sich bildenden Wasserdampf
der Druck weniger rasch abfällt und dadurch das Arbeitsvolumen und somit die Leistungsabgabe
des strömenden Mediums erhöht wird, wobei zusätzlich das im Arbeitsmedium noch vorhandene
Wärmegefälle aufgearbeitet wird. In gleicher Weise kann aber bei Einbringen eines
außerordentlich heißen Mediums durch Einspritzen eines Verdampfungs-Kühlmittels
bewirkt werden, daß unter Beibehalten des Drucks die Temperatur rasch abfällt.
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Weiterhin bezieht sich die Erfindung darauf, daß die erfindungsgemäße
Vorrichtung als Flugtriebwerk angewendet wird. Hierbei kann dieses Flugtriebwerk
entweder als Wellentriebwerk ausgelegt werden, wobei das gesamte Gefälle, das im
Gaserzeuger erzeugt wird, im Motor abgearbeitet wird. Es ist aber auch möglich,
die erzeugte Wellenleistung ganz oder teilweise zum Verdichterantrieb
zu
verwenden; wird hierbei mehr Wellenleistung erzeugt, als der Verdichter benötigt,
kann diese Wellenleistung zum Betreiben von Nebenantrieben bzw. zum Betrieb von
Luftschrauben verwendet werden; was an Gesamtleistung die Wellenleistung überschreitet,
wird in Form von Schub durch die aus den Motor austretenden noch hochgespannten
Gase dargestellt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist zunächst einer der Läufer
des Schraubenkompressors zumindest einen Eühlkanal auf; hierdurch kann entweder
weniger wärmefestes Material verwendet werden, oder der erfindungsgemäße Kompressor
oder Motor kann bei höheren Temperaturen, also effektiver, betrieben werden.
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Ein derartiges Flugtriebwerk hat im Verhältnis zu einem Gasturbinentriebwerk
den Vorteil größeren Wirkungsgrades, sowie kleinerer radialer Abmessungen, insbesondere
kleinerer Höhe; hierdurch ist es möglich, derartige Triebwerke strömungsgunstig
innerhalb der Tragflächen eines Flugzeuges anzuordnen.