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Schiffsmaschinenanlage mit mindestens einer Gasturbine und einer Brennkraftmaschine
Bei Schiffen, insbesondere Kriegsschiffen, muß mit Rücksicht auf die um ein Mehrfaches
gegenüber .der Marschfahrt größeren Antriebsleistungen bei Schnellfahrt (AK-Fahrt)
eine große Maschinenanlage vorgesehen werden, die für die Spitzenleistung bei Schnellfahrt
bemessen ist, aber nur selten benutzt wird. Insbesondere bei Dampfschiffen ergibt
sich dadurch eine unwirtschaftliche Gestaltung des (Schiffsantriebes, namentlich
wenn, wie bei Kriegsschiffen, die gesamte Antriebsanlage für jederzeitigen Einsatz
mit voller Leistung bereit gehalten werden muß.
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Zur Minderung dieser cSchwierigkeiten hat man für die Marschfahrt
Dieselmotorenantrieb und für die Schnellfahrt Dampfturbinenantrieib mit Hochdruckdampfanlagen
vorgesehen. Der Dieselmotor arbeitet z. B. bei einem Dreiwellenschiff auf die Mittelwelle,
während die Dampfturbinen die beiden Seitenwellen antreiben.
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Bei Schiffen mit rein motorischem Antrieb sind mehrere Dieselmotoren
notwendig, um bei Schnellfahrt die erforderliche Leistung aufzubringen, während
für die Marschfahrt nur ein Teil der Maschinenleistung benötigt wird. Auch hier
sind Gewichts- und Raumaufwand für :die nur vorübergehend benötigte hohe Leistung
erheblich, und die Unterbringung der vielen Dieselmotoren ist recht schwierig.
Bei
Schiffen mit Gasturbinenanlagen ist es bekannt, die heißen, mit Spülluft gemischten
Abgase von Dieselmotoren den Gasturbinen zuzuführen. Bei diesen Gasturbinenanlagen
ist ebenfalls die Aufgabe der wirtschaftlichen Leistungserzeugung für Marschfahrt
und Schnellfahrt nicht gelöst.
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Gemäß der Erfindung ist für die Marschfahrt eineB.rennkraftkolbenmaschine
und für die Schnellfahrt eine Gasturbine vorgesehen, :die ihr Treibgas von der Brennkraftmaschine
erhält, die bei Schnellfahrt vom Propeller abgekuppelt und so hoch aufgeladen wird,
daß sie zusammen mit ihrem Verdichter alsTreibgaserzeugerwirkt, wobei zusätzlich
noch weitere Brennkraftmaschinen mit Hoch-. aufladung als Treibgaserzeuger vorgesehen
sind, die je nach dem Leistungsbedarf wahlweise zugeschaltet werden.
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Auf diese Weise ist bei günstigen Raum- und Gewichtsverhältnissen
eine einfache und wirtschaftlich arbeitende Anlage für die Marschleistung und eine
jederzeit betriebsbereiteAnlage für die;Schn.ellfahrt geschaffen worden. Die zusätzlichen,
nur als Treibgaserzeuger dienenden Brennkraftmaschinen können hochtourige Maschinen
sein, die voneinan,der unabhängig arbeiten und entsprechend den räumlichen Verhältnissen
im iSchiff in raumsparender Weise eingebaut werden können. Sie sind jederzeit betriebsbereit,
so daß die bei Hochdruckdampfanlagen durch die dauernde Betriebsbereithaltung bedingten
Nachteile sowie der hierfür erforderliche umfangreiche Hilfsmaschinenpark in Wegfall
kommen. Die Bedienung der erfindungsgemäß ausgebildeten Anlage ist außerdem wesentlich
einfacher als die einer hochgezüchteten Dampfkraftanlage, erfordert weniger Personal,
weniger Wartung und Pflege und ist bequem von einem zentralen Bedienungsstand aus
mit den üblichen .Steuerungsmitteln regel- und steuerbar.
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Die Anlage läßt sich sowohl mit mechanischer als auch mit elektrischer
Kraftübertragung zwischen den Antriebsmaschinen und dem oder.denPropellerwellen
ausführen.
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In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt.
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Abb. 1 zeigt eine Anlage mit einer Schraubenwelle und mechanischer
Kraftübertragung. In entsprechender Weise kann diese Anlage auch für ein Mehrwellensc'hiff
ausgebildet werden.
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1 ist der Schiffspropeller, 2 das mit der Propellerwelle gekuppelte
große Zahnrad, 2a das Ritzel, das über die Kupplung 3 von der Brennkraftmaschine
4 mit zugehörigen Verdichtern 4a und 4b angetrieben wird. 2b ist das Ritzel, das
über ein Zwischengetriebe 5 und 6 wahlweise von der Gasturbine 7 über Kupplung 8
oder von der Gasturbine 9 über Kupplung io angetrieben werden kann. Die Kupplung
3 kann eine normale Reibungskupplung sein, die zugleich als Schwingungsdämpfer ausgebildet
sein kann. Die Kupplungen 8 und 1o sind als Flüssigkeitskupplungen, z. B. Vulkankupplungen,
angedeutet, an ihre ,Stelle können Reibungskupplungen oder andere bekannte Kupplungsarten
treten, 7 ist die Vorwärtsturbine, 9,die Rückwärtsturbine. Die Brennkraftmaschinen
i i und 12 mit den unmittelbar angebauten Verdichtern i j a
und i 1b bzw. 1211 und i2b sind zusätzliche, nur als Treibgaserzeuger wirkende Maschinensätze.
Selbstverständlich können noch weitere solche Treibgaserzeugersätze je nach der
gewünschten Leistungssteigerung vorhanden sein. LAußerdem können bei Mehrwellenschiffen
solche Treibgaserzeugersätze gleichzeitig für mehr ereGasturbinen, die verschiedene
Propellerwellen antreiben, vorhanden sein. 13 und 14 ist ein Turboverdichtersatz
mit der Gasturbine 13 und dem Luftverdichter 14. Es kann nämlich bei manchen Leistungsverhältnissen,
namentlich mit Rücksicht auf günstige Regelungsverhältnisse, vorteilhaft sein, einen
gesonderten Verdichter vorzusehen, bei dem der Luftverdichter 14 Luft durch die
Leitung 25 ansaugt und -durch die Leitungen a3 a, 23b und 23c an die Kolbenverdichter
iib, i 2b
und gegebenenfalls weitere Kolbenverdichter abgibt, d. h. der Turboverdichter
14 ist in Reihe mit den Kolbenverdichtern der Treibgaserzeuger geschaltet. Die Gasturbine
13 wird aus dem iSammelleitungsnetz 15 der Treibgaserzeuger 4, 11 und 12 über die
Leitung 26 gespeist. Die Ab-gase der Turbine können entweder durch die Leitung 27
ins Freie oder durch die Leitung 27a der Hauptgasturbine 7 zugeführt werden, wobei
z. B. die Gasturbine 13 teilweise mit der Turbine 7 in Reihe geschaltet .ist. Die
Treibgase der Brennkraftmaschinen4, 11, 12 werden durch die Leitungen 15a, 15b,
15a in die iSammelleitung 15 geführt. Mit 15" ist angedeutet, daß noch weitere derartige
Treibgaserzeugeranlagen parallel beschaltet sein können. Mit 16 sind ,Absperrglieder
bezeichnet. .Aus der Sammelleitung 15 -,vird die Gasturbine 7 durch ;die Leitung
17 und,die Gasturbine 9 durch die Leitung 21 gespeist. Die Abgase der Turbine 7
können durch die Leitung 2o ins Freie gelassen werden, während die Abgase der Turbine
9 durch die Leitung 22 austreten. In der Leitung 2o ist eine Vorrichtung 3o angeordnet,
die zur Ausnutzung der Abgaswärme dient, z. B. zur Vorwärmung der Verbrennungsluft,
zur Erzeugung von Warmwasser oder für andere Zwecke.
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Eine der Turbine 7 vorgeschaltete Einrichtung 18 dient zur Einspritzung
von Brennstoff in die Treibgaszuführungsleitung 17 zwecks weiterer Leistungssteigerung
der Turbine, z. B. bei Fahrt mit äußerster Kraft. Die Treibgase werden der Hochdruckstufe
19 der Turbine 7 zugeführt, 19a ist eine Zwischenstufe, der z. B. die Abgase der
Turbine 13 zugeführt werden können. Auch in .die,.Abgasleitung 27a der Turbine 13
kann Brennstoff eingeführt werden zwecks weitererLeistungsste:igerung der Hauptturbine.
Die Rückwärtsturbine 9 kann bei Vorausfahrt, insbesondere wenn die Gasturbinen mit
tragflügelähnlichenBeschaufelungen ausgerüstet sind, auch als Verdichter verwendet
werden, der durch die Leitung 28 Luft ansaugt und durch die Leitung 29 -die verdichtete
Luft der Leitung 23 zuführt, so daß z. B. bei Vorausfahrt unter Umständen der Turboverdichtersatz
13, 14 bei großer Leistung stillgesetzt werden kann, wobei durch die Luftzufuhr
über
die Turbine 9 eine gewisse Selbstregelung eintritt, da der Aufladedruck abhängig
wird von der Drehzahl der Hauptturbine.
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Bei Marschfahrt arbeitet nur die Rrennkraftmaschineq. über die Kupplung3
und das Getriebe2a und 2 auf den Propeller i. Von den beiden Verdichtern 4.a und
4.b kann dabei der eine abgeschaltet sein bzw. im Leerlauf arbeiten, da die Maschine
4. jetzt ohne Hochaufladung betrieben wird. Beim Übergang auf Schnellfahrt wird
die Maschine .. unter Zuschaltung des Verdichters .Ib auf Hochladung gebracht, wobei
mit Rücksicht auf die Drehzahlverhältnisse des Getriebes und der Brennkraftmaschine
von einer bestimmten Leistung ab die K upplung 3 gelöst wird, worauf die Brennkraftmaschine
zusammen mit ihren Verdichtern als Treibgaserzeuger für die Turbine 7 wirkt, die
dann über die Kupplung 8 und das Getriebe 6, 5, 2b den Propeller i treibt.
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Für Hochaufladungsbetrieb und Betrieb als Treibgaserzeuger werden
vorzugsweise Zweitaktdieselmotoren vorgesehen, wobei insbesondere Maschinen mit
Gleichstromspülung günstige Betriebsverhältnisse aufweisen, die sich bei Dieselmotoren
mit gegenläufigen Kolben besonders gut durchführen läßt, so daß vorteilhafterweise
Maschinen eingesetzt werden, wie sie neuerdings besonders für Hochaufladung entwickelt
worden sind.
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Abb. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für ein Dreiwellenschiff.
Der Propeller i wird über die Kupplung 2 von der Brennkraftmaschine 3 mit Verdichter
3a betrieben. Der Propeller ja erhält seinen Antrieb über Getriebe ..a und 5a durch
die Vorwärtsgasturbine 6a bzw. die Rückwärtsgasturbine 7a. 8a ist ein Verdichter,
der den Kolbenverdichtern der Treibgaserzeuger vorgeschaltet werden kann und eine
gewisse Selbstregelung in die Anlage bringt, durch Anpassung des Rufladedruckes
an die jeweiligen Propellerdrehzahlen. Für den Propeller ib gilt entsprechend, mit
dem Kennzeichen b, das gleiche wie für den Propeller ja. D;ie Brennkraftmaschinen
9, 9a, 9", 9e usw. wirken zusammen mit den angekuppelten Kolbenverdichtern io, ioa,
iob, ioe usw. als Treibgaserzeuiger für die Turbinen. Je nach der Leistungsunterteilung,
den räumlichen Verhältnissen und der erforderlichen Spitzenleistung kann die Zahl
der aufzustellenden Treibgaserzeuger beliebig gewählt werden. An ,Stelle der Verdichtervorstufen
8a und 8b der Turbinen kann ein eigener Verdichtersatz, entsprechend Turbine 13
und Verdichter 14. in Alb. i, vorgesehen werden. Die Rückwärtsturbinen 7a und 7b
können bei Vorausfahrt als Verdichter verwendet werden. Die @Brennkraftmaschinen
9a und 9b treiben je einen Generator iia und iib, die zur Versorgung der elektrischen
Bordanlage dienen.
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Bei Marschfahrt bzw. kleiner Leistung treibt die Brennkraftmaschine
3 ohne Hochaufladung den Propeller. Die Brennkraftmaschinenga und 9b, oder eine
dieser Maschinen, werden dabei ohne Hochaufladung betrieben und dienen zum Antrieb
der Generatoren i ia, i ib. Bei Schnellfahrt werden sämtliche Brennkraftmaschinen
mit Hochaufladung betrieben und dienen dann in erster Linie zur Treibgaserzeugung
für die Turbinen 6a und 66 bzw. 7a und 7b. Dabei werden die Maschinen 9a und 9b
durch .die Generatoren 1 ja und i ib nur mit einem Teil ihres Leistungsvermögens
belastet.
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Unter Hochaufladung werden die Betriebszustände verstanden, bei denen
der Aufladedruck q. bis 5 atü und mehr und der mittlere Zylinderdruck bei voller
Leistung 15 und mehr atü beträgt. Bei Marschfahrt kommt man entweder ohne Aufladung
aus, oder man ladet über das Spülgebläse nur mit einem Druck auf, der kleiner als
2 bzw. 1/z atü ist.
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Abb. 3 zeigt eine Anlage, bei der zwischen Antriebsmaschine und Propellerwelle
elektrische Kraftübertragung vorgesehen ist. Als Ausführungsbeispiel ist ein Zweiwellenschiff
dargestellt. In entsprechender Weise können Anlagen für Ein- bis Drei- und Mehrwellenschiffe
ausgebildet werden.
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i und ia sind die beiden Propeller mit ihren elektrischen Antriebsmotoren
2 und 2a. Da solche Anlagen für große Leistungen besonders vorteilhaft sind, ist
bei der elektrischen Kraftübertragung an die Verwendung von Wechselstrom bzw. Drehstrom
gedacht. Dabei ist es zunächst gleichgültig, ob die beiden Motoren 2 und 2a Asynchron-
oder Synchronmotoren sind. 3 ist eine Gasturbine mit einem Wechselstromgenerator
q.. 5 ist ein Verdichter, der ähnlichen Zwecken dient wie die Verdichter8a und 8b
beiA:bb.2. Bei großer Leistung können zwei oder mehrere Gasturbinensätze vorhanden
sein, wobei jedoch mit Rücksicht auf die Platz-und Gewichtsverhältnisse zu beachten
ist, daß in einem hochtourigen Gasturbinensatz bei engem Raum und bei kleinem Gewicht
große Leistung untergebracht werden kann. Die Gasturbine 3 wird aus Treibgaserzeugern
gespeist, bestehend aus den Brennkraftmaschinen 6a, 6, 6b, 6c und 6d mit den angehängten
Kolbenverdichtern 7, 7a, 7b, 7c und 711.
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Bei Marschfahrt oder kleiner Leistung sind die dann ohne Hochaufladung
betriebenen Brennkraftmaschinen 6 und 611 über die Kupplungen 9 .und 91'
mit
(Generatoren 8 und 8d gekuppelt. (Gegebenenfalls wird nur einer dieser Maschinensätze
betrieben. Bei Schnellfahrt werden sämtliche Brennkraftmaschinen mit Hochaufladung
betrieben und dienen dann als Treibgaserzeuger für die Gasturbinen 3 bzw., wenn
mehrere vorhanden sind, der Hauptgasturbinen. Mit Rücksicht auf die elektrischen
Verhältnisse und auf die Drehzahlen werden dabei zweckmäßig die Generatoren 8 und
8d von ihren .Antriebsmaschinen abgekuppelt. Die Generatoren 8 und 8d werden mit
Rücksicht auf die Leistungsverhältnisse für einen niederen Frequenzbereich ausgelegt,
z. B. 30 bis 5o Hz, während der Generator ,4 für einen Frequenzbereich
von 5o bis 75 Hz und mehr ausgelegt wird.
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In Abb. 3 ist der grundsätzliche Verlauf des Hauptstromkreises dargestellt.
io ist die Sammelleitung, an die die Motoren 2, 2a durch die Schalter ioa und die
Generatoren q., 8, 8d durch die Leitungen 16, 14 und die Schalter 17, 15 angeschlossen
sind. i i ist die Sammelleitung für die Marschfahrtgeneratoren 8, 8d, die durch
die :Schalter 12
und 13 angeschlossen werden können. Bei a8 bzw.
i8a kann aus der Leitung i i das Bordnetz gespeist werden.
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Bei Marschfahrt speist Generator 8 und 8d über .Schalter 12 bzw. 13
bzw. beide Generatoren das Netz io und damit -die Motoren 2, 211. Es kann dabei
auch das Bordnetz in (Betrieb sein. Die Sammelleitung i i kann bei i iadurch einen
Schalter aufgetrennt sein, wobei ein Generator als Marschgenerator wirkt, während
der andere Generator das Bordnetz speist. Bei Schnellfahrt wird der Generator 4
über den Schalter 17 an die Sammelleitung io gelegt, während die Generatoren 8 und
8d durch den Schalter 15 von dieser Leitung abgeschaltet werden. Der Übergang kann
dabei stetig erfolgen, so daß keine !Stromunterbrechung für die Motoren :2 und 2a
eintritt. Bei Schnellfahrt können einer der beiden Generatoren 8 oder 8d oder beide
das Bordnetz speisen. Die Schaltung auf der Treibga`sseite ist ähnlich wie bei Abb.
i und daher hier nicht dargestellt.
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Aus den Abbildungen ist ersichtlich, daß ein weiterer Vorteil der
Anlagen darin besteht, daß die Reservehaltung verhältnismäßig leicht durchgeführt
werden kann, was insbesondere für die Brennkraftmaschinen mit angehängtem Verdichter
gilt, die als Kolbenmaschinen die empfindlichsten Teile der Anlage darstellen. Man
kann z. B. bei allen dargestellten Anlagen gleiche Brennkraftmaschinen mit gleichen
Zylinderabmessungen und gleichen Gesamtabmessungen vorsehen. Auch läßt sich die
Speisung des elektrischen Bordnetzes in einfacher und wirtschaftlicher Weise mit
der Hauptantriebsanlage verknüpfen, so daß besondere Hauszentralen nicht erforderlich
sind. Dies ist besonders deutlich bei dem :Bleispiel nach Abb. 2, aber auch bei
Abb. 3 kann man eine der beiden Brennkraftmaschinen 6 oder 6d auch bei voller
Last von der Speisung der Gasturbinen absetzen und zur Speisung des Bordnetzes verwenden.
Bei den erfindungsgemäß ausgebildeten Anlagen kann man am Maschinenleitstand die
Regel- und Steuereinrichtungen so ausbilden, daß der Übergang von Marschfahrt auf
Schnellfahrt, d. h. der Übergang (der Marschfahrt-Brennkraftmaschinen auf Hochaufladung
und die Inbetriebsetzung der anderen als zusätzliche Treibgaserzeuger -dienenden
Brennkraftmaschinen selbsttätig erfolgt. Man kann hierzu ,die Fahrschaltwalze in
bekannter Weise so auslegen und ausbilden, daß Fehlschaltungen vermieden werden
und der Bedienungsmann keine Überlegungen anzustellen braucht, ob und in welcher
Weiseer die einzelnen Treibgaserzeuger zuzuschalten hat. Bei der Gesamtregelung
wird man so vorgehen, daß bei großer Leistung die einzelnen Hauptleistungsstufen
dadurch gebildet werden, daß ein, zwei oder mehrere Treibgaserzeuger nacheinander
zu- oder abgeschaltet werden, während die Zwischenregelung durch entsprechende Veränderung
des Aufladedruckes der Treibgaserzeuger in Verbindung mit der Brennstoffzufuhr erfolgt.
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Ein weiterer Vorteil dieser Anlagen besteht darin, daß man, namentlich
bei Verwendung von Zweitaktdieselmaschinen mit gegenläufigen lZolbert, bei Hochdruckaufladung
schwerer als normales Dieselöl verbrennende Öle verwenden kann, so daß sogar die
Möglichkeit besteht, die Dieselmotoren beim Betrieb als Treib-gaserzeuger mit schwerem
Öl zu speisen.
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Als Treibgaserzeuger können auch Freiflugkolbenmaschinen verwendet
werden.