DE2518946A1 - Luftschiff mit kombinierter anlage fuer antrieb und lageregelung - Google Patents

Description

Klaus D. Decker 2000 Hamburg 52

Heinrich-Bomhoff-Weg 2

Beschreibung der Erfindung:

Luftschiff mit kombinierter Anlage für Antrieb und Lageregelung

Die Eigenart der Auftriebserzeugung bei Aerostaten bringt es mit sich, daß das Gleichgewicht zwischen den Gravitationskräften sehr genau eingehalten werden muß. Dies gilt sowohl absolut (zur Höhenhaltung) al8 auch partiell (zur Lageregelung). Schon frühzeitig hat man deshalb die von der Ballonfahrerei übernommenen Verfahren für die Luftschiffahrt zu verbessern odor durch geeignetere zu ersetzen versucht. Am gebräuchlichsten ist das Verfahren, Wasser als . Ballast aufzunehmen und wieder absugeben. Die Gewinnung von Ballaotwasser ersatzweise für verbrauchten Treibstoff ist dabei am bekanntesten geworden. Andererseits ist die Verbrennung eines Treibgases von einem annähernd der Luft entsprechenden spezifischen Cewicht mit Erfolg angewendet worden. Es wurde auch daran gedacht, einen entsprechenden Anteil des als Auftriebsgas verwendeten Wasserstoffes in den damaligen Kolbenmotoren mit su verbrennen und dessen Energie nutzbar zu machen.

Diese und andere Verfahren bringen jedoch eine Reihe von Schwierigkeiten mit sich; sie erfordern hohe Anlagengewichte, sind teuer, umständlich odor unzuverlässig,

1927 beschrieb ein amerikanisches Patent die Verwendung von verflüssigtem Wasserstoff als Treibstoff, der vermittels der Abgaswärme verdampft und über ein Gebläse auf Pralldruck ( es handelt sich um ei2i Pr&ll-

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schiff) gebracht und einer separaten Gaszelle zugeführt werden sollte, von wo es ein Kolbenmotor absaugt.- Das Verfahren war nicht praktikabel. Hegen seiner hohen Zündgeschwindigkeit ist die Verbrennung von reinem gasförmigen Wasserstoff in Kolbenmotoren bis heute nicht zufriedenstellend gelungen. Außerdem sind keine großen Kolbenmotoren mehr verfügbar, die sich für eine Verwendung in der Luftfahrt eignen. Turbinentriebwerke jedoch benötigen einen Kraftstoff-Förderdruck, der über dem Brennkammerdruck liegt, was entweder eine Einspritzung in flüssiger Form oder eine Verdichtung des Brenngases erfordert.

Flüsßigwasserstoff hat bei gleicher Energiemenge im Vergleich zu Mineralöl etwa ein Drittel des Gewichtes, aber etv/a das vierfache Volumen. Die Tankanlage erfordert eine besondere Isolierung gegen zu hohen Wärmeübergang. Die noch verbleibende Verdampfungsrate kann bei einem Luftschiff als Gasanteil in Wassei-a Loff zellen "gepuffert" werden. Ein Luftschiff ist deshalb besonders gut für den Betrieb mit Flüssigwasserstoff geeignet bzw. ist Flüssigwasserstoff ein optimaler Treibstoff für ein Luftschiff.

Erfindungsgemäß wird ein Luftschiff geschaffen, das ein Höchstmaß an Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Manövrierbarkeit erzielt. Die Erfindung geht von einem Luftschiff bekannter Bauweise aus, mit Antrieb durch eine oder mehrere Brennkraftmaschinen, einem Vorrat an Treibstoff, der in getrennten Behältergruppen jeweils in gasförmigem und verflüssigtem Zustand mitgeführt wird, je einer Fördereinrichtung für die anteilige Lieferung von Gas und Flüssigkraftstoff an die Brennkraftmaschine, einer Leitung des Flüssiganteiles über einen Wärmetauscher in die Brennkammern der Kraftmaschine bzw. in die Gassellen und findet die Lösung darin, daß .der flüssige Treibstoff mit einem höheren Druck als dem

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Brennkammerdruck gefordert, int Wärmetauscher verdampft und aufgeheizt wird und den "Druck- und V/ärmeüberschuß in einer speziellen Kraftmaschine in Leistung zum Antrieb eines Verdichters umsetzt, mit dem der unter athmosphärischen Bedingungen gelagerte Gasanteil gegen den Druck der Brennkammer verdichtet und in diese eingeblasen werden kann. Füllung und Entnahme der beiden Kraftstoffe und die Korrektur der Verhältnisse bei Füllung, Lagerung und Verbrauch sind dabei durch Kontroll-, Regel- und Steuerungseinrichtungen derart beeinflußt, daß während der Boden- und Fahrzeit und beim Beladungsund Tankvorgang ständig ein gewünschter Gleichgewichtszustand erreicht wird. Grundsätzlich ist die Verwendung verschiedener gasförmiger und flüssiger Treibstoffe denkbar. Die vorteilhafteste Kombination ist jedoch verflüssigter und gasförmiger Wasserstoff in aerostatischem Gleichgewichtsverhältnin von etwa 13 zu 1.

Flüssigwasserstoff steht heute zu einem sehr günstigen Preis in ausziehender Menge zur Verfügung und kann an den verschiedensten Plätzen verhältnismäßig einfach gewonnen werden. Für den Umgang mit Flüssigwasserstoff liegen ausreichende Erfahrungen vor.

Die Erfindung erzielt mehrere Vorteile gleichzeitig:

1. Die Energie des Abgases wird zur Erzeugung der Verdichterleistung herangezogen.

2. Ein mechanischer Antrieb durch die Brennkraftmaschi-

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ne kann entfallen.

3. Die Energie des Abgases wird zum Ausgleich des Verlust'es durch Verdampfungs- und Aufheizwärme, d.h. zur Senkung des spezifischen Kraftstoffverbrauches genutzt.

4. Bei hochgradiger Abwärmenutzung kann in relativ kurzer Zeit durch Verdampfen von Flüssigtreibstoff und Zuführen in die Gaszellen eine größere Auftriebcerhöhung erfolgen - z.B. gegen Eisansatz oder Auslaufen einer Zelle.

[3. Insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff

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kann bei entsprechender Auslegung des Wärmetauschers eine kleinere Menge Wasser fortlaufend kondensiert'werden, die über eine Reinigungsanlage als. Brauchwasser entnommen werden kann. Bei längeren Reisen kann so auf die Mitnahme mehrerer Kubikmeter Wasser verzichtet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Skizzen erläutert, die in schematischer Darstellung die beteiligten Elemente eines Luftschiffes zeigen. Der Einfachheit halber wird nachfolgend jeweils von einer Maschinenanlage gesprochen. Das schließt selbstverständlich nicht aus, daß mehrere Anlagen vorhanden sein können. Das Beispiel beschreibt eine Lösung unter Verwendung eines gängigen Turbinentriebwerkes, das mit Wasserstoff gespeist wird. Diese Form stellt- die derzeit technisch und wirtschaftlich vorteilhafteste Lösung dar. Die Anwendung eines Kolbenmotores und anderer Treibstoffkombinationen ist jedoch möglich.

Dem Triebwerk (1) wird eine bestimmte Menge flüssiger Treibstoff über den Wärmetauscher (2) und dem Druckangleicher (3) zugeführt. Bei Verwendung von verflüssigtem Wasserstoff beträgt dieser Anteil, der von einer Restznenge Wasserstoffgas aerostatisch getragen wird, ohne zusätzlichen Verdampfungsanteil und ohne Korrektur des Gleichgewichtes rund 93$. Der Flüssigwasserstoff wird in Kryotanks (4) mitgeführt, die in entsprechender Anzahl und den statischen Erfordernissen der Luftschiffstruktur entsprechend über die Gesamtlänge des Luftschiffes verteilt angeordnet sind. Die Auslegung der superisolierten Behälter ist dem Stand der Technik zu entnehmen. Im Betriebszustand stehen die Behälter unter einem geringen Überdruck, der durch ein Doppelweg-Belüftungsventil (5) begrenzt wird. In Gegenrichtung wirkt das Ventil beim Pullen des leeren Tanks gegen eine Implosion. Eine Leibung führt den abdampfenden V/asserstoff in die Gaszellen (6), die die als Antriebenergie erforderlichen restli-

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chen lio Wasserstoff enthalten, bzw. in deren Sammelleitung. Die Vorpumpe (7) liefert einmal den Förderdruck um ausreichenden Abstand zum Siededruck zu sichern, sie dient außerdem für den Fall des Verdampfena zur Auftriebserhöhung als Förderpumpe der entsprechend größeren Menge Flüssigwasserstoff niederen Druckes. Die Hochdruck-Förderpumpe (8) drückt den Treibstoff mit einem Druck, der dem jeweiligen Brennkammerdruck mit einem Reibungs- und Einblaszuschlag zuzüglich einer bestimmten Druckerhöhung entspricht, in.den Wärmetauscher (2). Der V/ärmetauscher kann wie dargestellt direkt im Abgasstrom liegen oder indirekt über einen besonderen V7ärmeträger-Kreislauf (z.B. Helium) die Abgaswärme auf den Wasserstoff übertragen. Im Wärmetaxischer wird der Flüssigwasserstoff verdampft und aufgeheist. Für den Betriebszustand "simultane Verbrennung" wird das unter Druck stehende und erwärmte Wasserstoffgas über eine Verdrängungs- bzw. Expansionsmaschine geführt, wo es soviel Leistung abgibt, daß der mit ihr verbundene Verdichter den Gasanteil aus der Sammelleitung (9) absaugt und auf den' Einblasdruck verdichtet. Ist die Kompressorseite des mechanischen Druckangleichers (3) mehrstufig, kann Zwischenkühlung vorgesehen werden. Im Beispiel der nebenstehenden Skizze ist das Temperaturniveau des Hauptgasstromes so .gewählt,, daß dieser nach der Teilentspannung in der. Arbeitsmaschine zur Zwischenkühlung herangezogen werden kann. Die Wärmeabgabe an ein anderes Medium, z.B. Luft, ist ebenfalls möglich. Aus baulichen Gründen kann auch eine Trennung der Antriebe in der V/eise vorgenommen werden, daß der Verdichter von der Verbrennungsmaschine angetrieben und die Teilenergie aus dem im Wärmetauscher (2) aufgeheizten Gas für andere Zwecke, z.B. Erzeugung von elektrischem Strom etc., herangezogen wird.

Statt; aiis einer Anordnung von Verdriiri,';u:o<:-ü-, E.xpansions- bzw« Strömungsmaschinen mit mechanischen Organen kann der Druckangleichsr (j5) auch als reiner Strömungnapparat

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~ z.B. als mehrstufiger Injektor gemäß Figur 2 - ausgebildet sein. Bei entsprechender Auslegung der Gesamtan-lage kann dabei auf einen erheblichen Teil an störanfälliger Mechanik und auf Zwischenkühlung verzichtet werden.

Nach erfolgter Druckangleichung werden die beiden Gasströme gemeinsam den Brennkammern der Verbrennungsraaschine zugeführt. Die liiinlialtung der anteiligen Treibstoffmengen überwacht die Kxntroll- und Steuereinheit (10) nach Figur 3, die zu diesem Zwecke Informationen über Durchfluß des Flüssigtreibstoffes (A) und des Gasanteiles (B), über Inhalt der einzelnen Gaszellen (D) und Kryotanks (E), über die.Lageparameter des Luftschiffes wie Höhe (H), Luftdruck (P), Temperaturen (T), Höhenänderung (V), Anstellwinkel (oc) usw. erhält. Über manuelle Eingabe (M) können Korrekturen in jeder V/eise vorgenommen werden. Die Signale der Kontroll- und Steuereinheit (10) werden dem Stand der Technik gemäß den Stell- und Regelorganen des· Gaskreislaufes nach Figur übermittelt. Die regelbare Kupplung (a) - z.B. hydrostatischer Antrieb - und das Differentialventil (b) steuern sowohl die Gesamtmenge des Treibstoffes zur Leistungsregelung als auch dessen jeweilige Anteile zur Begeliing des aerostatischen Gleichgewichtes. Die Umschaltventile (c) und (ü) ermöglichen eine starke Auftriebserhöhung, indem sie den flüssigen Treibstoff unmittelbar in die Brennkammern und eine entsprechend größere Menge über den 'Wärmetauscher (2) in die mittragenden Gaszellen (6) leiten. Die Behälterventile (e) und (g) ermöglichen in entsprechender Weise geschaltet eine unterschiedliche Gleicligewichtsverteilung zwischen Hinter™ und Vorderschiff, d.h. eine Trimmung in Längsrichtung. In gleicher V/eise kann das Fahrzeug beim Be- und Entladevorgang gertrimmt worden. Insbesondere bei Schwerpunktfesselung kann bei permanenter Verbindung der .Bodsntankanlageri über deü Awüsiüiortinnschluil (11) eine fortwährende Anpa^urtg des Auftriubc-iö und der TriKiiiung an den Hcl.^oe zustand erfojfen.

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Claims (9)

1. Patentansprüche 2 5 1 8 9 A 6'

   Luftschiff in bekannter Bauweise mit Antrieb durch Brennkraftmaschinen, einem Vorrat an Treibstoff-aufgeteilt in entsprechende flüssige und gasförmige ■₍Mengen und einem Wärmetauscher zum Verdampfen und Aufheizen des flüssigen Anteiles, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Anteil unter einem soweit über dem Brennkaimnerdruck liegenden Förderdruck steht, daß die nach der Verdampfung und Aufheizung des ursprünglich flüssigen Treibstoffes bis zu dessen Eintritt in die Brennkammern der Brenn-' kraftmaschinen überschüssige potentielle Energie in einer besonderen Einrichtung in Nutzleistung umgesetzt wird.
2. 2. Luftschiff nach Anspruch 1, dadurch g e k. e η nze i c hne t, daß die gewonnene Energie direkt in· einer Einrichtung zur Förderung und Verdichtung des gasförmigen Treibstoffanteilec genutzt wird.
3. 3. Luftschiff nach Anspruch 1, dadurch g e k en nzeichnet, daß die gewonnene Energie in elektrische, hydraulische, pneumatische oder mechanische Leistung zum Antrieb des Verdichters für den gasförmigen Anteil umgesetzt wird.
4. 4. Luftschiff nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η-zeichnet, daß die· gewonnene Energie in elektrische, hydraulische, pneumatische oder mechanische Leistung für sonstige Verwendung genutzt wird, z.B.

   zur Stromerzeugung, Klimatisierung etc.
5. 5. Luftschiff nach Anspruch 1,2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,daß der ursprünglich flüssige Treibotoffanteil vorübergehend oder ständig, teilweise oder ganz mit.der au3 der Abgaswärme gewonnenen Energie in die Brennkammern gedruckt wird.
6. 6. Luftschiff nach Anspruch 1 bis 5, dadurch g e-

   k e η η ζ e i c h. η e t , daß ira Wärmetauscher ent-

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   stehendes Kondenswasser aufbereitet und als Brauchwasser verwendet wird.
7. 7. Luftschiff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrich-

   'tungen für Gas und Plüssigkraftstoff über eine Steuerungseinrichtung so mit den Ventilen der Behälter für Gas und'Plüssigkraftstoff gekoppelt sind, daß durch gleichmäßige oder differenzierte Entnahme jeder gewünschte Gleichgewichtszustand erhalten oder erzielt werden kann.
8. 8. Luftschiff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch -s gekennzeichnet, daß die gesteuerte Entnahme von Gas und Flüssigkraftstoff aus den einzelnen Behältergruppen durch Lagesensoren über eine K.ontroll- und Steuereinheit so erfolgt, daß ein eingestellter Gleichgewichtszustand eingehalten v/ird und festgestellte Abweichungen laufend korrigiert werden.
9. 9. Luftschiff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren und die Kontroll- und Steuereinheit für die Zuflußregelung beim Betanken mit Gas und Plüssigkraftstoff und für die Verteilung auf die Behältergruppen herangezogen werden, sodaß beim Betanken und beim Prachtwechsel jeder gewünschte Gleichgewichtszustand erhalten oder erzielt werden kann.

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   -S-

   In Betracht gez6.;wn& Drueklrrc h r ιf*tc^fftV

   William Frederic Durand,"Aerodynamic Theory" Vol.VI" Dover Publications, Inc.. liev/ York, 1963-

   Engberting,"Luftschiff und Luftschiffahrt", VDI-Verlag, Berlin, 1926.

   SAE-Journal, Vol. XXIV, May 1926, Seite 465.

   Deutsches Bundespatent 1.481.223

   Deutsphes By.nuenpr-.i.t-vnx. 2.022.836 ·

   Deutsches Heichspatent 717·305

   Deutsches Reichspatont 6j56.563 )

   Deutsches Reichspatent 634.355

   Deutsches Reiehsp₈.tent 589.300

   Deutcchea Keichspatent 547.404

   Deutsches Reichspatent 460.857

   Deutsches Reichspatent 413.282

   Deutsches Reichspatent 412.313

   Deutsches Reichspatent *ίΟ9.32Ο

   Deutsches Reichspatont 317.163 mit Zusatzpatent

   Deutsches Reichspatent 310.199

   US-Patent 1,002,586

   US-Patent 1,772,161

   US-Patent . 1,763,541 ' r-

   US-Patent 1,632,169 ^

   US-Patent . 1,426,047

   British-Patent 144,001

   Französ. Patent 618.630

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