DE644633C - Betriebsverfahren fuer durch Rueckstoss eines Treibmittels wirksame Fahrzeugantriebsanlagen - Google Patents

Description

Betriebsverfahren für durch Rückstoß eines Treibmittels wirksame Fahrzeugantriebsanlagen, bei welchen dem Treibmittel entzogene Energie zum Verdichten der zum Erzeugen des Treibmittels erforderlichen Betriebsmittel benutzt wird, sind bereits bekanntgeworden. So hat man beispielsweise bei Kolbenbrennkraftmaschinen einen Teil der durch Verpuffung erzeugten Verbrennungsgase über eine Rückstoßdüse entlassen, während ein anderer Teil der Verbrennungsgase auf einen Hilfskolben zur Wirkung gebracht wird, der den die Verdichtung mit dem Hilfskolben gemeinsam bewirkenden Hauptkolben antreibt. Demgegenüber wird erfindungsgemäß nach Verlassen der Verpuffungskammer, aber vor der Ausstoßbeschleunigung dem gesamten Treibmittel die Energie entzogen, die zum Verdichten der zum Erzeugen des Treibmittels erforderlichen Betriebsmittel benötigt wird. Während beim bekanntgewordenen Verfahren starke Druck- und Geschwindigkeitsänderungen der Verbrennungsgase auftreten müssen, die sich auf den Wirkungsgrad ungünstig auswirken bzw. beträchtliche Schwankungen desselben hervorrufen, wird erfindungsgemäß dadurch, daß jedes einzelne Verbrennungsgasteilchen dem Energie-, insbesondere Wärmeentzug unterworfen wird, ein nahezu gleichbleibender Wärmeinhalt der Verbrennungsgase und demgemäß eine nahezu gleichbleibende Geschwindigkeit derselben erreicht, so daß infolge des entsprechend gleichbleibenden Verhältnisses zur Fahrzeuggeschwindigkeit ein annähernd unveränderter Wirkungsgrad erhalten wird, der bei richtiger Bemessung des Verhältnisses die zum wirtschaftlichen Betrieb erforderliche Größenordnung annimmt.

Es ist zwar schon bekanntgeworden, den gesamten nach einem Gleichdruckverfahren erzeugten Verbrennungsgasen Energie zu entziehen, um die Kreiselwirkung durch die Verbrennungsgase angetriebener Turbinenräder zur Stabilisierung mit dem Rückstoßantrieb versehener Geschosse zu benutzen. Die zum Betrieb derartiger Kreisel erforderliche Leistung ist jedoch von grundsätzlich anderer Größenordnung wie die Energie, die zum Verdichten der zum Erzeugen des Treibmittels erforderlichen Betriebsmittel benötigt wird, so daß die Verbrennungsgase den Rückstoßdüsen annähernd mit den hohen, für das Gleichdruckverfahren eigentümlichen Erzeugungstemperaturen zuströmen, ohne daß die in den Gasen enthaltene Wärmeenergie in den Düsen nutzbar gemacht wird. Man hat ferner bereits im Gleichdruck erzeugten Verbrennungsgasen Luft zugesetzt, um die Temperaturen der Gase herabzuziehen und die beschleunigte Masse zu vergrößern; aber auch diese Maßnahme kann an der grundsätzlichen Unwirtschaftlichkeit des bekannten Verfahrens nichts ändern, zumal der Wirkungsgrad der zum Ansaugen

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Dr. Ulrich Meininghaus in Mülheim, Ruhr.

der Luft verwandten Ejektoren verhältnismäßig gering ist und die zur Beschleunigung der Luft erforderliche Energie den Verbrennnungsgasen in Form von in der Rückstoßdüse unmittelbar nutzfähiger Energie entzogen wird.

In der weiteren Erkenntnis, daß der Wärmeinhalt der Verbrennungsgase groß genug ist, um die gesamte Verdichtungsarbeit ίο für die Ausgangsstoffe zu liefern, wird in weiterer Durchführung des Erfindungsgedankens die dem Treibmittel zur Verminderung seiner Ausstoßbeschleunigung entzogene Wärme, beispielsweise durch teilweise Entspannung des Treibmittels in Dehnungsmaschinen oder durch Erzeugung sowie gegebenenfalls Ueberhitzung von Druckdampf unter nachfolgender Entspannung desselben in Dehnungsmaschinen, in mechanische Energie zum Antrieb der Verdichter umgesetzt. Durch ein derartiges Verfahren ergeben sich die erheblichsten Vorteile gegenüber den bisher bekanntgewordenen Verfahren. So ist es beispielsweise möglich, die Abkühlung des Treibmittels äußerst weit zu treiben, weil die anfallende Kühlwärme im Verfahren selbst wieder Verwendung finden kann. Da die Treibmittelgeschwindigkeit in erster Linie von der Temperatur desselben abhängt, so kann durch die so erfolgte Abkühlung des Treibmittels eine erhebliche Erniedrigung der Treibmittelgeschwindigkeiten und damit eine wirtschaftliche Fortbewegungsgeschwindigkeit des Fahrzeuges erreicht werden. Da der Druck, unter dem dem Treibmittel die Ausstoßbeschleunigung erteilt wird, für die Größe des ausnutzbaren Wärmeinhaltes und damit für die aufzuwendende Verdichtungsarbeit maßgebend ist, wird dieser Treibmitteldruck erfindungsgemäß so eingestellt, daß die durch Ausnutzung des Wärmeinhaltes anfallende mechanische Energie gerade der aufzuwendenden Verdichtungsarbeit entspricht. Hierdurch ergibt sich eine höchst wirtschaftliche Verwendung der gesamten anfallenden Energie zur Verdichtung der Ausgangsstoffe, da die Höhe des Treibmitteldruckes im Gegensatz zur Höhe der Treibmitteltemperaturen nicht von wesentlichem Einfluß auf die Geschwindigkeit des Treibmittels ist.

Ein besonders vorteilhaftes Betriebsverfahren ergibt sich, wenn das Treibmittel durch rhythmische Verpuffungen eines zündfähigen Gemisches gebildet wird. Das erzeugte gespannte Treibmittel kann dabei zunächst in Dehnungsmaschinen bis auf den Druck entspannt werden, unter dem es die Ausstoßbeschleunigung erfährt.

Die Dehnungsmaschinen sind dabei zweckmäßig unmittelbar mit den Einrichtungen zur Verdichtung der Ausgangsstoffe, hauptsächlich mit dem Luftverdichter mechanisch gekuppelt. Es kann aber auch die bei der Erzeugung des Treibmittels durch rhythmische Verpuffungen anfallende Abwärme, insbesondere die Kühlwärme, auf zweckmäßig vorgewärmtes Speise- oder Kondenswasser zur Dampferzeugung übertragen werden, worauf der Dampf in Deh- 7* nungsmaschinen, wieder vorzugsweise zum Antrieb von Verdichtern, entspannt wird. Ebenso kann die bei der Erzeugung des Treibmittels durch rhythmische Verpuffungen anfallende Abgaswärme auf bereits mit- tels der Abwärme erzeugten Dampf unter Ueberhitzung bzw. Zwischenüberhitzung des Dampfes übertragen werden. Der Rest der Abwärme dient dabei zweckmäßig zur Vorwärmung des Speise- oder Kondenswasser. Vorteilhaft ist es weiterhin, das durch rhythmische Verpuffungen eines zündfähigen Gemisches erzeugte Treibmittel zunächst in Brennkraftturbinen auf den Druck zu entspannen, unter dem es die Ausstoßbeschleunigung erhält, wobei die Strahlungswärme auf Wasser zur Dampferzeugung übertragen wird, während aus dem Treibmittel nach der teilweisen Entspannung desselben Wärme auf den so erzeugten Dampf als Ueberhitzungswärme übertragen wird. Dabei ist sowohl die das Treibmittel verarbeitende. Brennkraftturbine wie die den überhitzten Dampf verarbeitende Dampfturbine mit dem Verdichter zur Erzeugung der Ladeluft mechanisch gekuppelt. Zwischen zwei Dampfturbinenstufen erhält der Dampf mittels der Treibmittelwärme ein oder mehrere Zwischenüberhitzungen, während mit dem Rest der Abwärme das zu verdampfende Wasser vorgewärmt wird und schließlich noch eine Vor- _,.■ wärmung des Kondenswassers stattfindet.

Eine Gleichraumgasturbinenanlage, d. h. ■also Turbinenanlagen, bei denen der gasförmige, flüssige oder staubförmige Brennstoff in Kammern gleichen Rauminhalteazur Verpuffung gelangt, ist für die Zwecke vorliegender Erfindung aus folgenden Gründen besonders geeignet. Bei der Verwendung der Abwärme der Verpuffungskammer zu Zwecken der Dampferzeugung kommt es dar- auf an, zur Erreichung einer hohen Wirtschaftlichkeit den Dampf mit möglichst hohem Druck zu erzeugen. Mit dem Druck des Dampfes steigt aber bekanntlich auch seine Temperatur. Bei Kolbenmaschinen ist nun die Wandungstemperatur der Arbeitszylinder, in welchen die Verbrennung stattfindet, dadurch begrenzt, daß zur Aufrechterhaltung der Bewegung des Kolbens die Einführung iao eines Schmiermittels zwischen Kolben und Wandung erforderlich ist. Diese Begrenzung

fällt bei Brennkraftturbinenanlagen fort, so daß Dampf höherer Verdampfungs-temperatur, d. h. hohen Druckes, ohne jede Schwierigkeit erzeugt werden kann. Weiterhin ist bei Kolbenbrennkraftmaschinen der zulässige Gegendruck auf niedrige Werte beschränkt, da mit der Erhöhung des Gegendruckes Ladedruck und damit Verbrennungsdruck anwachsen. Hohe Verbrennungsdrücke aber

ίο führen zu nicht mehr beherrschbaren Kolbenstangendrücken. Eine derartige Begrenzung fällt bei Brennkraftturbinenanlagen fort. Es wäre denkbar, statt einer Gleichraumbrennkraftturbine eine Brennkraftturbine mit Gleichdruckverbrennung zu verwenden. Bei diesen Turbinen fällt jedoch die Leistung, welche durch die .Drucksteigerung während der Verpuffung erzeugt wird, weg, so daß der zum Antrieb des Verdichters zur Verfügung stehende Leistungsanteil bedeutend geringer ist wie bei Verpuffungsbrennkraftturbinen.

Bekanntlich eignet sich der Rückstoßantrieb nur für verhältnismäßig hohe Fahrzeuggeschwindigkeiten, d.\h. für Fahrzeuggeschwindigkeiten, die annähernd die Größenordnung der Treibmittelgeschwindigkeit besitzen. Derartige Geschwindigkeiten treten natürlich nicht auf, wenn das Fahrzeug Rangierbewegungen ausführt, im Hafen kreuzt oder als Luftfahrzeug in verhältnismäßig tiefen Luftschichten bewegt wird. Für diesen Fall wird in weiterer Durchführung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dasTreibmittel einer Dehnungsmaschine zuzuführen, die unmittelbar mit Einrichtungen zur Fahrzeugbewegung, wie Antriebsrädern (Adhäsionsrädern), Schaufelrädern, Wasser- und Luftpropellern usw., gekuppelt ist.

Vorteilhaft sind erfindungsgemäß auch Dauerstromturbinen vorgesehen, die unmittelbar mit Fahrzeugfortbewegungseinrichtungen, wie Treibrädern, Schaufelrädern, Propellern usw., gekuppelt sind, um bei niedrigen Geschwindigkeiten die Fortbewegung des Fahrzeuges bewirken zu können; diese Dauerstromturbinen werden von dem Treibmittel beaufschlagt, das bei den hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten den Rückstoß des Fahrzeuges bewirkt.

Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine beispielsweise Ausführung einer erfindungsgemäßen Rückstoßantriebsanlage für Luftfahrzeuge.

Es bezeichnet 1 die Verpuffungskammern einer Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage. Diesen Kammern wird über das Ventil 6_a Verbrennungsluft aus dem Verdichter 29 über Leitung 30 und flüssiger Brennstoff aus der Brennstoffpumpe 31 über Leitung 38 und Einspritzventil 5_U zugeführt. Nach Bildung des zündfähigen Gemisches in den Kammern ι findet durch die Zündkerzen I₃ bei völlig geschlossenen Kammern die Entzündung des Gemisches statt. Nach erfolgter Verpuffung öffnet sich das Düsenventil 2_a und läßt die hochgespannten, hocherhitzten Feuergase über Düse 3_ß der Beschaufelung 4_a des Turbinenlaufrades 4 zuströmen. Die Gase entspannen sich, bis der Druck in der Verpuffungskammer auf etwa den Druck der Verbrennungsluft in der Leitung 30 abge-* sunken ist. In diesem Zeitpunkt öffnet sich das Luftventil 6_a, worauf die eingelassene Luft den Feuergasrest über das weiter geöffnete Düsenventil 2_a ausschiebt. Sobald die Luft das Düsenventil 2_a erreicht hat, schließt sich dieses, so daß die Kammer nach der Einführung des Brennstoffes für die Wiederholung des geschilderten Arbeitsspieles vorbereitet ist. Das Turbinenlaufrad 4 ist unmittelbar gekuppelt mit dem Verdichter 29 zur Erzeugung der Ladeluft, so daß ein Teil der zum Antrieb des Verdichters erforderlichen Energie von der Brennkraftturbine 4 gedeckt wird. Die Deckung des Restes erfolgt in folgender Weise.

Eine Pumpe 16 wälzt das im Kessel 17 enthaltene hocherhitzte Kühlwasser unter Erhöhung seines Druckes um. Dieses Wasser fließt über Leitung 14 zunächst in die Rohrschlangen eines Vorwärmers 12 und von dort aus über die Leitungen 11 und 10 in die Kühlräume 3 der Verpuffungskammer 1. Hier wird das in dem Vorwärmer 12 bereits vorgewärmte Wasser auf eine Temperatur gebracht, die dem Verdampfungspunkt, welcher dem hohen Druck des Wassers entspricht, sehr nahe liegt. Das aufgeheizte Wasser wird dann durch Leitung 13 über Reduzierventil 15 dem Kessel 17 zugeführt. Es ermäßigt sich also der Verdampfungspunkt des Wassers entsprechend seiner Druckerniedrigung, so daß im Kessel 17 eine teilweise Verdampfung des Wassers eintritt. Das nicht verdampfte Wasser beginnt den Kreislauf von neuem. Der verdampfte Teil des Wassers wird aus dem Kondensatbehälter 9 mittels der Pumpe 8 ersetzt. Der erzeugte Dampf strömt über Leitung 18 den Überhitzerschlangen 19 und 20 des Wärmetauschers S zu und gelangt über Leitung 21 in die Hochdruckdampfturbine 22. Der Dampf gibt in dieser Turbine einen großen Teil seines Wärmeinhaltes als mechanische Arbeit zum Antrieb des Verdichters ab. Durch die eintretende Entspannung sinkt die Temperatur des Dampfes erheblich, er erfährt jedoch in der Zwischenüberhitzerschlange 23 eine erneute Überhitzung, worauf er über Leitung 24 dem Kondensationsteil 25 der Dampfturbinenanlage zugeführt wird. Hier gibt er den Rest seiner

Arbeitsfähigkeit ab und wird im Kondensator 26 niedergeschlagen. Das gebildete Kondensat kann in den Vorwärmerschlangen 28 vorgewärmt werden, bevor es über Leitung 27 dem Kondensatbehälter 9 zuströmt.

Durch die Dampfüberhitzer 20, ig und 23 sowie durch die Vorwärmer 12 und 28 wird somit den Feuergasen, die nach Durchströmung des Laufrades 4 in den Ausströmbehalter 2 übergetreten sind, die nach der in der Verpuffungsbrennkraftturbine erfolgten Arbeitsabgabe noch vorhandene fühlbare Wärme entzogen. Der Druck der Ausströmgase im Ausströmbehälter 2 bzw. in den Wärmeaustauschern 5 ist dabei so gewählt, daß die Verpuffungsturbine in Verbindung mit den Damptturbinen die Leistung entwickelt, die zur Verdichtung der Verbrennungsluft im Verdichter 29 auf die erforderliche Ladespannung notwendig ist. Dem Wärmetauscher 5 entströmende Gase haben daher noch einen verhältnismäßig hohen Druck, aber eine sehr niedrige Temperatur. In diesem Zustand werden sie, solange das Fahrzeug durch den Rückstoß angetrieben werden soll, über das geöffnete Ventil 32 der Rückstoßdüse 33 zugeleitet. In der Entspannungsdüse 33 wird den Gasen eine erhebliche Beschleunigung erteilt, die in Verbindung mit der ausgestoßenen Masse zur Erzeugung des erforderlichen Rückstoßes dient. Infolge der stattfindenden Entspannung kühlen sich die Gase stark ab und verlassen das Ausströmende der Düse 33 ohne jede fühlbare Wärme, unter Umständen sogar stark unterkühlt. Das ausströmende Treibmittel führt also keine Wärme nutzlos ab.

Sobald die Fahrzeuggeschwindigkeit unter ein bestimmtes Maß sinkt, wird der Rückstoßantrieb sehr unwirtschaftlich. Derartige geringe Geschwindigkeiten treten beispielsweise auf, wenn das Fahrzeug rangiert wird, wenn es im Hafen kreuzt oder wenn beispielsweise bei Luftfahrzeugen eine Bewegung in *5 dickeren Luftschichten erfolgt. Um auch bei diesen geringen Geschwindigkeiten des Fahrzeuges eine wirtschaftliche Fortbewegung desselben durchzuführen, ist eine besondere Dauerstromturbine 34 vorgesehen, die über ein Getriebe 35 einen Propeller 36 antreibt. Sobald sich die Geschwindigkeit des Fahrzeuges genügend verlangsamt hat, wird Ventil 32 geschlossen und Ventil 37 geöffnet. Von diesem Zeitpunkt ab übernimmt die Dauer-Stromturbine 34, die von dem Treibmittel beaufschlagt wird, die Fortbewegung des Fahrzeuges.

Statt der dargestellten Kühlung der Brennkraftturbine mittels Kühlwassers kann naturgemäß auch eine Kühlung, mit Kühlöl durchgeführt werden; das aufgeheizte Kühlöl wird

in diesem Falle durch einen von der Brennkraftturbine getrennt aufgestellten Dampfkessel gepumpt und erzeugt infolge seines hohen Siedepunktes in diesem unmittelbar 85 Dampf von der erforderlichen hohen Spannung.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Betriebsverfahren für durch Rückstoß eines Treibmittels wirksame Fahrzeugantriebsanlagen, bei welchem Energie, die dem im Verpuffungsverfahren erzeugten Treibmittel entzogen wird, zum Verdichten der zum Erzeugen des Treibmittels erforderlichen Betriebsmittel dient, dadurch gekennzeichnet, daß nach Verlassen der Verpuffungskammer, aber vor der Ausstoßbeschleunigung diese Energie dem gesamten Treibmittel entzogen wird.
2. 2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Treibmittel zur Verminderung seiner Ausstoßbeschleunigung entzogene Wärme, beispielsweise durch teilweise Entspannung des Treibmittels in Turbinenbeschaufelungen oder durch Erzeugung sowie gegebenenfalls Überhitzung von Druckdampf unter nachfolgender Entspannung desselben in Dehnungsmaschi- 9» nen, in mechanische Energie umgesetzt wird.
3. 3. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch Einstellung des Treibmitteldruckes,·unter dem dem Treibmittel die durch Wärmeentzug verringerte Ausstoßbeschleunigung erteilt wird, auf einen Wert, bei dem die anfallende Maschinenleistung der aufzuwendenden Verdichtungsarbeit entspricht, too
4. 4. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel durch rhythmische Verpuffungen eines zündfähigen Gemisches gebildet und Rückstoßdüsen zugeführt wird, nachdem durch Wärmeentzug eine Verringerung der Ausstoßbeschleunigung herbeigeführt worden ist.
5. 5. Betriebsverfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das durch rhythmische Verpuffungen des zündfähigen Gemisches erzeugte gespannte Treibmittel in Turbinenbeschaufelungen bis auf den Druck entspannt wird, unter dem es die durch vorauf gegangenen Wärmeentzug verringerte Ausstoßbeschleunigung erfährt.
6. 6. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel unter dem Druck, iao unter dem es die Ausstoßbeschleunigung erfahren soll, mit Fortbewegungseinrich-

   tungen, wie ζ. B. Treibrädern, Schaufelrädern, Propellern usw., gekuppelten Dehnungsmaschinen unter Ausschaltung des Rückstoßantriebes zugeführt wird.
7. 7. Rückstoßantrieb für Fahrzeuge, gekennzeichnet durch Verwendung von Verpuffungsbrennkraftturbinen, deren Ausströmgase bei einem vorbestimmten Druck zur Ausübung des Rückstoßes ausgelassen werden.

   S. Rückstoßantrieb für Fahrzeuge nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Anordnung von durch das Treibmittel zu beaufschlagenden Dauerstromturbinen, die mit Fortbewegungseinrichtungen, wie z. B. Treibrädern, Schaufelrädern, Propellern, gekuppelt sind, wobei zwischen Verpuffungsbrennkraftturbinen und Rückstoß düsen Absperreinrichtungen vorgesehen sind.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen