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Antriebsvorrichtung für Flugzeuge Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist eine Vorrichtung für Flugzeuge, die zur Wiedergewinnung der in den Auspuffgasen
einer Gasturbine zurückbleibenden Energie dient, wobei die Gasturbine einen Verdichter
des Flugzeugmotors antreibt. Das Neue besteht darin, daß die Auspuffgase der Turbine
durch ein Rückstoßrohr der Atmosphäre zugeführt werden, das entgegen dem Flug des
Flugzeuges gerichtet ist. Dadurch wird ein Antrieb erzeugt, der sich dem der gewöhnlichen
vom Motor angetriebenen Schraube hinzufügt. Bekannt sind Einrichtungen, bei denen
alle Teile der Schraube in einer Verkleidung enthalten sind, wobei die Schraube
durch die in dieser Verkleidung entstehenden inneren Drücke zur Wirkung kommt. Bei
einer anderen Einrichtung dringt die mit den Auspuffgasen der Turbine gemischte
Luft in ein sich erweiterndes Rohr ein, so daß die Gase, die aus diesem Rohr in
die Atmosphäre eintreten, keine große Geschwindigkeit mehr haaben und daher auch
nicht wesentlich zur Wirkung kommen können.
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Im Gegensatz zu diesen Einrichtungen wind bei der vorliegenden Erfindung
ein Gegendruck im Auspuff .der Turbine erzeugt, wodurch eine Vergrößerung der Geschwindigkeit
der Gase erzielt wird.
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Bei der Einrichtung nach der Erfindung wird dann auch noch der Querschnitt
des Rückstoßrohres
mittels eines Drehschiebers veränderlich gemacht,
@""im die erzeugte Kraft regeln zu können. Auch kann ein Teil der Gase in eine Gleichgewichtsleitung
abgeleitet -werden, welche den antritt .der Gase und den Auspuff-.des Motors miteinander
verbindet, wobei auch in diese Leitung zweckwäßig :; eine eingeschaltet wird- -
-` Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt, und zwar zeigt Abb. r die allgemeine Anordnung eines Flugzeugmotors
mit Vorverdichtun@.g nach der Erfindung; die -Abb. a, 3 und 4 zeigen Regelvorrichtungen
im Innern des Rückstoßrohres; Abb. 5 zeigt die Unterbringung der Regelvorrichtungen;
Abb. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher eine Umgehungsleitung für den Auspuff
der Gasturbine benutzt isst; die Abb. 7 und 8 sind Ausführungsformen mit Verdichtung
stufenweise in zwei Absätzen; Ab'b.9 ist eine Ausführungsform mit Spülung Abb. ro
stellt eine Abwicklung des Gasturbinenrades mit besonderem Auspuff dar.
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A#bb: r zeigt den Motor a, - welcher hier als ein normaler Verbrennungsmotor
mit Vergaser dargestellt ist, der aber auch in gleicher Weise durch jeden- anderen
Explosions- oder Verbrennungs-, motor ersetzt werden kann.
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Der Verdichter c saugt bei e durch eine zweckmäßig in oder Flugrichtung-
gerichtete Öffnung an, um den durch die Relativgeschwindigkeit der Luft geschaffenen
Druck zu ;benutzen. Er stößt die Luft aus nach -der Ansaugseite des Motors, über
welchem der Vergaser f angeordnet ist.
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Die Auspuffgase des Motors, die einen Druck haben, der über dem Atmosphärendruck
der Höhe, in welchem sich Idas Flugzeug befindet, liegt, werden der Ga#sturbine_d
zugeführt, wobei sie sich in den Schaufelkanälen ausdehnen und das Rad oder die
Räder h mitnehmen. An der Austrittsseite dieser letzteren dehnen sich die Auspuffgase
nochmals in dem Rückstoßrohr g aus, welches entgegengesetzt der Flugrichtung des
Flugzeuges gerichtet ist, und erzeugen infolge der verhältnismäßig hohen Ceschwinrdigkeit
bei -ihrem Austritt eine Antriebskraft -.auf -das Flugzeug. Diese Antriebskraft
ist gleich: der Masse-der in der Sekunde ausgestoßenen Masse der" Gase und ihrer
relativen Austrittsgeschwindigkeit.
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Der Hauptvorteil dieser Anordnung besteht darin, eine. nützliche Arbeit
für den Antrieb des 1VIdtors:.zu schaffen, da für die Antriebskraft des Motors-
nur ein geringer Verlust durch die Erhöhüng -des -Auspuffdruckes eintritt..
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:- Da-s, Maß-derAusdehniing in der Gasturbine muß unverändert bleiben,
um nicht die Kraft, welche sie an den-Verdichter abgibt, zu ändern. Der Eintrittsdrgciz,'s.teigt
also in-gewissem Maße;. der Auspuffdruck des Motors vergrößert sich in demselben
Maße, was eine Verminderung der Kraft hervorruft, die gleich dem Produkt dieses
Überschusses an Gegendruck und dem Spülvolumen ist.
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Die Verwendung des Rückstoßrohres stellt einen Gewinn an Kraft dar,
der mit Rücksicht auf die bisher benutzten Anordnungen fortschrittlich ist. Außerdem
gibt das Vorhandensein des Rohres eine leichte Selbstregelung der Schraube. Es genügt,
das Rückstoßrohr g mit einer Vorrichtung zu versehen, welche gestattet, den Austrittsquerschnitt
dieser Öffnung zu ändern. Diese Anordnung bietet dieselben Vorteile wie die Anordnung,
welche entstehen würde, wenn man den Querschnitt der Schaufeln der Gasturbine verändern
würde, aber sie bietet den großen Vorteil, daß sie während des Fluges mittels einer
Steuerungsvorrichtung, die dem Flugzeugführer zur Verfügung steht, benutzt werden
kann.
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Man erkennt, daß sich, wenn derFlugzeugführer den Querschnitt des
Rohres vergrößert, der so geschaffene Gegendruck vermindert. Infolgedessen strebt
die Leistung ,der Gasturbine danach, sich für einen gleichen Druck zu vergrößern,
der von dem Verdichter herrührt, und infolgedessen kann die Motorkraft der Turbine
den Widerstand des Verdichters übersteigen, wobei der Verdichter die Vorverdichtung
des Antriebsmotors a beschleunigt und vermehrt, wodurch die durch diesen erzeugte
Kraft vermehrt werden kann, obgleich die Drosselklappe des Vergasers f beispielsweise
schon vollständig offen ist. Andererseits kann man durch die umgekehrte Einstellung,
d. ,h. durch Verminderung des Querschnittes der Rohre g, die Antriebskraft des Motors
a verringern.
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Diese Regelung der Kraft geschieht in besonders fortschrittlicher
Weise, denn wenn die Klappe des Vergasers f vollständig offen bleibt trotz der Verminderung
der Kraft, so vermeidet man auf 'diese Weise die Verluste durch Schichtung, welche
notwendigerweise eintreten würden, und der Wirkungsgrad des Antriebsmotors bleibt
praktisch unverändert.
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Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn sie mit einer Umgehungsleitung
verbunden wird, welche die Zuleitung und den Auspuff des Motors verbindet, wie 'dies
punktiert in Abb. z bei b angedeutet ist.
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Man kann verschiedene Mittel benutzen, um den Austrittsquerschnitt
zu verändern. Die Abb. a, 3 und 4 zeigen einige dieser Anordnungen.
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In Abb. z ist ein Drosselstück in Gestalt eines Tropfens j in der
Mitte -des Rohres g angeordnet, und es kann unter .der Wirkung einer Stange k, die
von dem Flugzeugführer gesteuert wird, verschoben werden. Beim Verschieben des Drosselstückes
j gegen die Öffnung des Rohres ä verkleinert man diese Öffnung, die sich vergrößert,
wenn das Stück zurüclegezagen wird.
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In Abb. 3 ist das Rohr g in eine gewisse Anzahl von Einzle'lröhreiz
mittels der Scheidewände l unterteilt. Ein beweglicher Schieber m, der vom Flugzeügführer
verschoben wird, kann eine mehr oder
weniger große Anzahl Öffnungen
rcwischen den Scheidewänden 1 abschließen. Man erhält so je nach der Zahl der offen
gelassenen Kanäle eine Regelung des Querschnittes des Rohres g.
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In Abb. q. ist die Anordnung im wesentlichen dieselbe, aber der Schieber
na ist kreisförmig ausgeführt und dreht sich um eine Achse o, die dem Unterschied
der auf die beiden Flächen des Schiebers ausgeübten Druckkräfte unterworfen ist,
so daß die Verstellung außerordentlich leicht vor sich geht.
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In jedem Fall wird das Rohr g außen an dem Flugzeugrumpf oder an der
Gondel des Motors befestigt und so eingestellt, daß die Auspuffgase entgegen der
Flugrichtung des Flugzeuges gerichtet sind.
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Abb.5 zeigt verschiedene andere Ausführungsformen der Regelung, die
zusammen mit der beschriebenen oder für- sich benutzt werden können.
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Zunächst hat der Flugzeugführer zu seiner Verfügung die Klappep, welche
am Eintritt angeordnet ist und welche mit dem Vergaser f verbunden sein kann. Man
kann in gleicher Weise eine Klappe q vorsehen, die in der Nebenleitung
b
angeordnet ist und deren Wirkung darin besteht, einen Druckunterschied zwischen
dem Auspuff des Verdichters und der Ansaugseite der Gasturbine zu schaffen, wodurch
das Kraftgleichgewicht zwischen den beiden Maschinen gestört und infolgedessen eine
Beschleunigung der Maschinengruppe hervorgerufen wird für den Fall, daß die Klappe
q offen ist, und eine Verzögerung für den Fall, daß sie geschlossen ist.
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Außerdem kann man auf der Eintrittsseite der Gasturbine oder an der
Austrittsseite 'des Motors a einen Auslaß r in die Atmosphäre vorsehen, -der mit
einer Regelklappe s versehen ist. Durch die Öffnung dieser Klappe wird ein Teil
der Gase der Turbine entzogen, wodurch die Geschwindigkeit der Maschinengruppe und
infolgedessen die Vorverdichtung des Motors vermindert wird.
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Um einen vollständigen Verlust der Energie der so in die Atmosphäre
tretenden Gase für den Fall zu vermeiden, daß dieAuslaßöffnung während einer langen
Zeitdauer offen steht, kann man diese Auslaßöffnung mit einem zweiten, wie das erste
gestellte Rückstoßrohr versehen und dadurch ähnliche Wirkungen erzielen, oder man
kann die Gase dieses Auspuffs an den Schaufelkranz der Turbine zurückführen, jedoch
vor dem Durchfließen durch das Rohr g. Sie können sich so in diesem Rohr ausdehnen,
indem sie ihre Antriebswirkung an diejenigen Gase abgeben, die schon durch die Turbine
gegangen sind. Diese Anordnung ist dargestellt in Abb. 5.
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Da der Wirkungsgrad des Rückstoßrohres um so höher ist, je mehr sich
die Geschwindigkeit der Auspuffgase der Fluggeschwindigkeit des Flugzeuges nähert,
und da die Geschwindigkeit der Gase im allgemeinen viel größer ist als die des Flugzeuges,
so ist es zweckmäßig, um den Wirkungsgrad zu vermehren, in dem Rückstoßrohr nur
eine verhältnismäßig geringe Ausdehnung vorzunehmen, welche für die Gase nur eine
unbedeutende Temperaturverminderung zur Folge hat.
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Da die Auspuffgase des Motors heiß sind, so übertragen sie noch in
die Atmosphäre eine beträchtliche Wärmemenge, welche somit nicht ausgenutzt wird.
Um einen Teil der Energie, die sie darstellt, wiederzugewinnen, kann man den Auspuffgasen
nach ihrem Austritt aus der Gasturbine Luft beimischen, die auf denselben Druck
verdichtet, aber noch nicht durch den Motor gegangen ist. Diese Luft erwärmt sich
durch Mischung mit den Gasen und dehnt sich in dem Rohr mit ihnen aus,- wodurch
der Antrieb vergrößert wird. Diese Luft kann am Ausgang des mit Vorverdichtung arbeitenden
Verdichters entnommen werden, wie in Abb.6 dargestellt ist. In dieser Abbildung
ist ein axial durchströmter Verdichter mit Schaufelrädern t1, t2, t. und mit Leitschaufeln
ui, u2 dargestellt. Die Luft tritt bei e ein und wird durch den Verdichter verdichtet,
alsdann am Ausgang in den Behälter v aufgespeichert, der sie der Ansaugseite des
Motors a zuführt. Der Auspuff des Motors tritt in die Gasturbine d ein, und am Ausgang
dieser letzteren werden die Auspuffgase mit kalter Luft gemischt, die unmittelbar
von dem Verdichter durch die Leitung w gelangt. Das Gemisch aus Luft und Gas dehnt
sich alsdann in dem Rohr g aus und erzeugt somit den Antrieb.
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Es kann zweckmäßig sein, zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades
die Luft zu nehmen, welche nicht den Motor durchströmen muß, mit einem Druck, der
weniger hoch ist, als er für die Vorverdichtung erforderlich ist. Wie schon oben
auseinandergesetzt wurde, ist der in dem Rohr g ausnutzbäre Druck verhältnismäßig
gering, und infolgedessen ist es in dem Fall, in dem der Verdichter mehrere Stufen
hat, zweckmäßig, die Luft einer Zwischenstufe zu entnehmen. Diese Anordnung :ist
in Abb. 7 dargestellt, wo der Verdichter in zwei Teile geteilt ist, von denen der
erste, x, von der ganzen angesaugten Luft durchströmt wird. Diese Luft teilt sich
dann in zwei Ströme, von denen der eine den zweiten Teil y des Verdichters durchfließt
und ;zur Vorverdichtung des Motors a dient. Die Auspuffgase dieses Motors wirken
auf die Turbine lt und mischen sich bei ihrem Ausgang mit der vom Verdichter x kommenden
kalten Luft, die .durch die Kanäle w geströmt ist. Das Gemisch dehnt sich in dem
Rohr g aus und gibt hier den Antrieb.
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Wenn der Verdichter ein Fliehkraftverdichter mit einem oder mehreren
Schaufelrädern ist, wird es besonders vorteilhaft sein, die Luft der Nebenleitung
zwischen oder hinter den Schaufelrädern zu entnehmen, wenn der Druck genügt, um
das Rohr g zu speisen. , Infolge des Unterschiedes der Leitung und des notwendigen
Druckes für die beiden Stufen a-und y der Verdichtung kann es vorteilhaft sein,
sie durch Maschinen zu bilden, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten umlaufen.
Abb. ä zeigt eine Anordnung dieser Art, bei welcher der Verdichter y unmittelbar
durch die Gasturbine I2 ., beispielsweise
mittels einer gemeinsamen
Welle, angetrieben wird, während der Verdichter x mittels eines Zahnradgetriebes
z angetrieben wird, welches diesen mit einer Geschwindigkeit umlaufen lä.ßt, die
den besonderen Erfordernissen angepaßt ist.
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Man könnte in gleicher Weise die beiden Teile des Verdichters mittels
zweier Gasturbinen antreiben, die hintereinandergeschaltet sind und die z. B. durch
konzentrisch angeordnete Wellen angetrieben werden, wobei die Drehung entweder in
gleichem oder in entgegengesetztem Sinne erfolgen kann.
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Angenommen, daß der benutzte Druckabfall in dem Rüekstoßrohr verhältnismäßig
gering ist, so kann man auch zusätzliche Luft durch die Bewegung des Flugzeuges
selbst erzielen, ohne hierfür einen. Verdichter zu benutzen. Die atmosphärische
Luft dringt infolge ihrer Relativgeschwindigkeit durch eine Einlaßöffnung e' (Abb.
9) ein, wobei sich ein Teil ihrer lebendigen Energie in Druck umsetzt; sie -mischt
-sich mit den heißen Gasen, die .aus dem Auspuff der Maschine kommen, wodurch sich
ihre Temperatur erhöht, und sie dehnt sich dann mit diesen in dem Rohr g aus.
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Es ergibt sich daraus eine positive Arbeit, obwohl die Ausdehnung
hier nur gleich der aus der Relativgeschwindigkeit der Luft bei ihrem Eintritt sich
ergebenden Verdichtung ist, denn in der Zwischenzeit ist die Luft wieder erwärmt
worden, und die Geschwindigkeit, die sie in dem Rohr g für dieselbe Ausdehnung erlangt
hat, ist um so höher, als ihre Temperatur höher ist. Diese Anordnung könnte, streng
,genommen, in einem Motor ohne Vorverdichtung 'benutzt werden, in welchem die Erwärmung
der Luft unmittelbar durch die Mischung mit den Auspuffgasen des Motors erfolgt.
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Es versteht sich von selbst, daß die verschiedenen oben beschriebenen
Anordnungen, die eine Nebenleitung besitzen, die am Anfang der Turbine mündet, benutzt
werden können in Verbindung mit einem Wärmemotor, dessen Vorverdichtung selbst eine
.die Zuführung und den Auspuff verbindende Nebenleitung erfordert, wie beispielsweise
punktiert in Ab'b. z dargestellt ist, denn, wie schon oben auseinandergesetzt wurde,
diese beiden Nebenleitungen haben verschiedene Aufgaben, die sich gegenseitig ergänzen.
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In den verschiedenen Abbildungen sind die Verdichter als axial durchströmte
Verdichter oder als Fliehkraftverdiichter dargestellt; jedoch kann irgendeine der
'beschriebenen Anordnungen mit Verdichtern irgendeiner beliebigen Art, sei es axial
oder radial durchströmt, gemischt oder selbst volumetrisch benutzt werden.
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Aus Gründen der Einfachheit sind die Auspuffleitungen der Motorzylinder
als eine einzige Leitung dargestellt. Wenn aber die Anzahl der Motorzylinder derart
ist, daß die Auspuffe einander stören, wird man den Auspuff in mehrere Teile teilen,
von denen ,ein jeder au einer Gruppe solcher Zylinder gehört, deren Auspuffwechsel
sich nicht gegenseitig beeinflussen. In diesem Fall kann der Aufnahmebehälter der
Gasturbine in mehrere Teile unterteilt sein, von denen jeder den Auspuff eines dieser
Zylindergruppen erhält.
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Eine zweckmäßige Anordnung besteht darin, in gleicher Weise den Auspuff
der Gasturbine und gegebenenfalls auch das Rückstoßrohr zu unterteilen. Da nämlich
dieses Rohr einen Gegendruck erzeugt, so wird der Auspuffstoß eines Zylinders, wenn
er mit dem Ende des Auspuffs eines anderen Zylinders zusammenfällt, einen Gegendruck
in der Gasturbine erzeugen, welcher diese verhindert, die Energie dieses letzten
Teils des Auspuffs gut auszunutzen. Man wird also zweckmäßig sowohl die Zuleitung
als auch den Auspuff der Gasturbine unterteilen, wie in Abb. ro dargestellt ist,
die die Abwicklung eines Teils des Rades darstellt.
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In dieser Abbildung kommen die Gase durch die Leituren bi und b2,
speisen einen entsprechenden Teil der Verteilerrohre d1 und d2, treiben das Rad
h an und werden bei ihrem Ausgang in den beiden Kammern w. und w2 gesammelt, von
denen jede an ein Rückstoßrohr g1 und g2 angeschlossen ist. Die Unterteilung kann
in dem Rückstoßrohr vor der Öffnung aufhören, da .die Gase schon eine solche Geschwindigkeit
erhalten haben und eo gerichtet sind, @daß nicht zu befürchten ist, daß sie einen
Überdruck in der benachbarten Leitung erzeugen.
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Die oben beschriebenen und in den Abbildungen dargestellten Anordnungen
können lediglich Aus-,führungs!beispiele sein und Abänderungen können getroffen
sein, ohne über den Rahmen der Erfindung hinauszugehen.