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Verfahren und Anlage zum Betreiben von Wärmekraftmaschinen mit Gas
und Druckluft Es ist ein Antrieb von Schienenfahrzeugen bekannt, bei dem ein Dieselmotor
mit einem Verdichter gekuppelt wird, die Abgase des Dieselmotors die verdichtete
Luft in einem Wärmeaustauscher erhitzen und die erhitzte Luft meiner halbenmaschine
Arbeit leistet. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Abgaswärme in dem Wärmeaust.auscher
nur unvollkommen ausgenutzt werden kann. Außerdem erfordert der Wärmeaustauscher
einen erhöhten Gegendruck am Aus-Laß des Dieselmotors, was dessen Leistung wesentlich
beeinträchtigt, so d:aß größere Abmessungen erforderlich sind. Demgegenüber wird
vorgeschlagen, :einen Teil. der verdichteten Luft selbst zum Betrieb einer Brennkraftm.aschine
zu verwenden und die Abgase der Brennkraftmaschine mit dem Lberschuß der verdichteten
Luft zu mischen und dadurch aufzuheizen. Bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit
Generatorgas ist es besonders vorteilhaft, den Generator :auch unter dem Druck der
verdichteten Luft zu betreiben und einen Teil der verdichteten Luft zum Betrieb
des Generators als Brennluft zu verwenden. Der Verdichter rnuß ;also, so hemessen
sein, d:aß seine geförderte Luftmenge größer ist Tals zum Betrieb der Brennkraftmaschine
und
des Generators-,erforderlich ist. Die darüber hinaus verdichtete
Luft wird zweckmäßäg zur Kühlung des Generators und des erzeugten Gases verwendet,
wodurch eine Aufheizun.g dieser im Überschuß geförderten Luftmenge eintritt, die
in einer nachgeschalteten Arbeitsmaschine nutzbringend als erhöhte Arbeitsleistung
verwertet werden kann.
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Durch den Betrieb der Brennkraftmaschine unter höherem Druck werden
ihre Abmessungen besonders klein. Um :auch die Abmessungen des Verdichters zu verkleinern,
ist ges vorteilhaft, seine Teilverdichtung meinem von der Brennkraftmaschine angetriebenen
Kreiselverdichter vorzunehmen, der seine verdichtete Luft nach Zwischenkühlung an
den Kolbenverdichter abgibt. Diese Anordnung hat noch den besonderen Vorteil, daß,
infolge der Änderung des. Druckes des Kreiselverdichters. mit dem -Quadrat der Drehzahl
die Änderung der geföirderten Luftmenge weitaus größter ist als die Drehzahländerung,
d. h. daß bei kleinen Drehzahländerungen große Änderungen der geförderten-Luftmenge
-erzielt werden.
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Eine beseziders einfache Gestaltung der Brennkraftmaschine und des
Verdichters ergibt sich dadurch, daß. der Brennkraftmaschinenzylinder und der Verdichterzylinder
mit gemeinsamem Triebwerk hintereinander in Formeines Stu@enzylinders angeordnet
werden, wobei der Brennkraftzylinder mit dem kleineren Durchmesser und der Verdichterzylinder
mit dem größeren Durchmesser ausgeführt werden. Durch diese Anordnung wird das Triebwerk
:entlastet und ein ;gleichförmiger Lauf erreicht.
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Die Erfindung kann vorteilhaft auch für den Rückstoßantriebdurch Abgase
einer Verbrennungsturbine Verwendung finden.
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Es sind Antriebe bekannt, bei denen Luft aus dem Stau angesaugt und
verdichtet wird, die verdichtete Luft durch direkte Verbrennung von Brennstoff erhitzt
und das beheizte Gas-Luft-Gemisch in einer mit :dem Verdichter gekuppielten Turbine
teilweise @entspannt wird.' Dias restliche Druckgefälle wird hinter der Turbine
in einer Düse entgegen der Fahrtrichtung entspannt, wodurch der Rückstoß und somit
der Vortrieb entsteht. Bei dieser Bauart :durchströmt die gesamte vom Verdichter
geförderte Luftmenge auch die Turbine, und die gesamte Luftmenge ruß auf die Temperatur
vor der Turbine :erhitzt werden. Diese Bauart hat den Nachteil, @daß die Temperatur
vor :der Rückstoßdüsie sehr hoch wird, wodurch der Wärmeverhist in den Abgasen erheblich
und dementsprechend der Wirkungsgrad gering ist. Ferner hat diese Bauart den grüßen
Nachteil, daß das ganze Aggregat nur einen geringen Regelbfereich besitzt, das heißt
daß die Drehzahl nicht beliebig verändert werden kann und sio z. B. zum Anlassen
des Aggregates eine bedeutende D;nehza'hl durch fremden ,Antrieb erreicht werden
ruß. Da: bei dieser Mindestdrehzähl :der Verdichter schon entsprechend der Drehzahl
Leistung aufnimmt, ist für den Start oder Glas Wiederanlasser des Aggregates ein
entsprechend hoher Kraftbedarf erforderlich. Diese Mängel werden vermieden, wenn
entsprechend der Erfindung :ein Verdichter verwendet wird, der für eine größere
Luftmenge, als, für den Betrieb der Turbine mit Verdichtung des Gases durch Wärme
allein erforderlich wäre, bemessen ist, und sein an die Rückstoßdüse abgegebener
Luftüberschuß durch Mischung mit den Abgasen der Turbine aufgeheizt wird. Hierbei
ist der Verdichter nur für den Druck vor der Rückstoßdüse, der gleich dem Druck
der Abgase der Turbine ist, zu bemessen, wodurch Gewicht und Antriebsleistung wesentlich
unter dem der bekannten Bauarten liegen. Als Turbine zum Antrieb des Verdichters
können Turbinen mit diskentinuierlicher Verpuffung :oder kontinuierlicher Verdichtung
durch Wärznezu@uhr verwendet werden. Die Abgase dieser Turbine heizen vorteilhaft
durch Mischung die Überschußluft des Verdichters auf, so, daß der gesamte Wirkungsgrad
des Rückstoßantrieb,es wesentlich daxch Erhöhung des Wärmegefälles der Übexschußluft
verbessert _ wird.
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Da die Gasturbinen mit Verdichtung durch Wärme praktisch an keine
Mindestdrehzahl gebunden sind Moder dies:. wesentlich tiefer liegt als bei Turbinen
mit Gl@eichdruckverbrennung, ist der Regelbereich derartiger Aggregate wesentlich
größer, s:o daß auch für den Start :eine wesentlich geringere Energie zum Anlassen
erforderlich ist. Ein wichtiger Vorteil der Erfindung liegt noch darin, -daß bei
gewolltem oder unbeabsichtigtem Stillstand des Aggregates im Fluge dieses ohne Inanspruchnahme
besonderer Hilfsmittel dadurch wieder in Betrieb gebracht werden kann, daß durch
Vergrößerung des Querschnittes der Rückstoßdüsie die Luftmenge, die durch den Stau
durch den Verdichter unter Umgehung der Turbine durch die Rückstoßdüse geht, vergrößert
wird und den Verdichter als Turbine antreibt. Durch diesen Antrieb allein wird die
Drehzahl erreicht, die für das Inbetriebsetzen erforderlich ist. Bei: den bekannten
Bauarten ist dieses Mittel zur Inbetriiebsetzung nicht anwendbar, da die Luftmenge
:durch einen Verdichter mit erheblich größerer Stufenzahl und .außerdem noch durch
die Turbine gehen rußte, deren Widerstände so groß sind, daß durch den Druck des
Staues allein keine Drehung hervorgerufen werden kann.
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In der Zeichnung zeigen in vereinfachter Darstellung Abb. i eine Wärmekraftmaschinenanlage
mit Brennkraftkolhenmaschine und Gaserzeuger, Abb. 2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele
einer Anlage mit Verbrennungsturbine und Rückstoßdüse.
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In Abb. i bezeichnet i den Zylinder der Brennkrabbmaschine, 2 den
Zylinder des Kolbenverdichters, 3 den Gaserzeuger, 4,die :durch das Gemisch aus
den Abgasen der Brennkraftmaschine und der ÜberschuBluft betriebene Wärmekraftmaschine
und 45 einen Kreiselverdichter.
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Der Zylinder i der Brennkraftmaschine und der Verdichterzylinder 2
sind als Stufenzylinder mit gcmeinsamem Triebwerk hintereinander angeordnet.
Von
dem Stufenkolbct1 5 wird durch Pleuelstange 6 und Kurbel ,^ die Kurbelwelle 8 angetrieben,
von der durch ein Zahnradzwischengetriebe 9 der Anrieb des Kreiselverdichters abgeleitet
ist. Das Treibgas wird dem Zylinder i vom Generator 3 durch eine Leitung i o zugeführt.
Die vorverdichtete Verbrennungsluft geht vom Kreiselverdichter 4.5 über einen Kühler
12 durch eine Leitung 13 in den Verdichberzylinder 2 und von dies,ern durch eine
Leitung 1 4 -Lind einen Kühler 15 in den Zylinder i der Brennkraftmaschine. Die
für die Erzeugung von Generatargas erforderliche Luft geht durch eine Leitung 16
in den Vergaser 3. Von der Leitung 16 ist die Leitung 17 für die nicht in der Brennkraftmaschine
und im Vergasererforderliche Überschuß1uft abgezweigt. Diese L b:erschußluft geht
über einen Wärmeaustausch:er 18, in dem ein Wärmeaustausch mit dem vom Vergaser
3 zum Zylinder überströmenden Treibgas erfolgt, in den Mantelraum 19 des Vergasers
und weiter durch eine Leitung 2o zur Wärmekraftmaschine 4. In die Leitung zo mündet
die Abgasleitung 21 des Zylinders i ein, so, daß die Wärm@ekraftmaschine ¢ ein Gemisch
aus der aufgeheizten, vom Verdichter 2 im i`berschuß geförderten Luft und den Abgasen
der Brennkraftmaschine i erhält. Das Triebwerk 22 der Wärmekraftmaschine ¢ arbeitet
auf eine Kurbelwelle 23.
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Die Maschinen 1, 2 und 4 können auch spiegelbildlich auf der anderen
Seite der Kurbelwelle angeordnet sein. Eine solche Anlage mit gegeneinandergestellten
Zylindern kann als Lokomotivantriebsmaschine quer zur Lokomotivlängsachse liegend
angeordnet sein, beispielsweise über dem Drehgestell. Die Maschinenanlage ist dann
besonders gut zugänglich für Ausbesserungsarbeiten, z. B. Auswechseln von Ventilen
und Kolbenringen oder Ausbüehsen von Zylindern.
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Bei der Gasturbin.enanlage für Flugzeuge mit RückstoL>antrieb nach
Abb.2 strömt die Luft aus dem Fahrwind durch die Leitung 31 in den Verdichter 32,
der diese auf den Druck vor der Düse 33 fördert. Ein Teil der vom Verdichter
32 geförderten Luftmenge strömt durch die Leitung 34 der Gasturbine 35 zu,
in der die Luft durch Wärmezufuhr auf einen Druck gebracht wird, der zum Betrieb
der Turbinenanlage erforderlich ist. Aus der Turbine 35 strömen die Abgase durch
die ,Leitung 36 in die Verbilidungsleitung 37 vom Verdichter zur Rückstoßdüse, in
der sich die heißen Abgase der Turbine mit der kälteren Luft vom Verdichter her
mischen. Dieses Gemisch expandiert in der Rückstoßdüse 33 und erzeugt hier den Vortrieb.
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In Abb.3 sind die Teile der Anlage mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet. Die durch die Öffnung 31 dem Stau des Flugzeuges .entnommene Luft wird
vom Verdichter 32 auf den Druck vor der Rückstoßdüse 33 gefördert, deren Querschnitt
durch beispielsweise den Kegel 38 veränderlich ist. Durch Verschiebung des
Kegels 38 beispielsweise in die Lage 38' kann der Querschnitt der Düse 33 wesentlich
vergrößert werden, so daß auch eine wesentlich größere Luftmenge von der Öffnung
31 durch den Verdichter 32 und den Kanal 37 durch die Rückstoßdüse austreten kann.
Die Energie dieses Luftstromes aus dem Staudruck reicht aus, um den Verdichter 32
als Turbine auf eine Drehzahl zu bringen, die die Inbetriebsetzung der Gasturbine
3 5 ermöglicht.