-
Wärmekraftmaschine mit durch Injektor aufgeladenen Brennkammern, z.
B. Gasturbine oder Reaktionsantrieb Die Erfindung bezieht sich auf Wärmekraftmaschinen
mit einer oder mehreren Brennkammern, in welche die Verbrennungsluft mit einem über
Atmosphärendruck liegenden Druck unter Verwendung eines Injektorrohres eingelassen
wird.
-
Gemäß der Erfindung ist eine Wärmekraftmaschine der vorgenannten Art
dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft in dem Injektorrohr dadurch verdichtet
wird, daß mit Hilfe eines pulsierenden oder intermittierenden Dampfstrahles die
Luft vorgetrieben wird, die zwischen den aufeinanderfolgenden Stößen des Dampfstrahles
in das Injektorrohr gelangt.
-
Die Verwendung eines Injektorrohres zum Ver-.schieben- eines Mediums
unter dem Einfluß eines anderen Mediums, das in Form eines kontinuierlichen Strahles
von großer Geschwindigkeit strömt, ist an sich bekannt, jedoch ist es ebenso bekannt,
daß derartige Vorrichtungen einen außerordentlich geringen Wirkungsgrad' haben,
der in der Größenordnung von nur 25 biss 30% liegt und auf Grund dessen die bekannten
Injektoreinrichtungen allgemein als Mittel angesehen werden, deren man sich nur
im Notfall bedient.
-
Es ist demgegenüber in unvorhergesehener und überraschender Weise
gefunden worden, daß, wenn an Stelle eines kontinuierlich strömenden Strahles ein
periodisch unterbrochener Strahl verwendet
wird, ein Wirkungsgrad
von 6o,1/o. und sogar von 8o 1/o für die Verdichtung des Mediums erreicht werden
kann, und dies stellt einen wesentlichen technischen Fortschritt dar.
-
Die Erklärung für dieses Ergebnis kann in der Hauptsache darin .gesucht
werden, daß in einem Injektor gewöhnlicher Art mit dauernd strömendem Primärstrahl
der Vorschub des induzierten Mediums durch Reibung und Schichtbildung erfolgt, die
zu Energieverlusten führen, wähmend bei der Einrichtung gemäß der Erfindung die
Luft, die zwischen den aufeinanderfolgenden Dampfstößen in den Injektor gelangt,
durch jeden Dampfstoß, der wie ein Kolben wirkt, ohne Reibung und ohne Schichtbildung
vorgetrieben wird, wobei die kinetische Energie der gesamten Masse aus der Luft
und dem Dampfausstoß praktisch die- gleiche bleibt wie diejenige des Dampfausstoßes
und in Druckenergie mit einem erhöhten Wirkungsgrad umgewandelt werden kann.
-
Die Erfindung kann auf W ärmekraftmaschinen der verschiedensten Art
angewendet werden, z. B. auf Strahlentriebwerke, sei es, daß es sich um Strahltriebwerke
mit mechanischem Kompressor handelt - in diesem Fall übernimmt der pulsierende Dampfstrahl
nur einen Teil der Verdichtung, während der andere Teil durch den mechanischen Kompressor
bewirkt wird, der durch eine Gasturbine oder irgendeine ändere Antriebsvorrichtung
angetieben wird -, oder .daß es sich um ein Strahltriebwerk ohne mechanischen Kompressor,
wie z. B. ein Staustrahltriebwerk handelt, wobei im letzteren Fall eine solche Einrichtung
durch die Erfindung befähigt wird, einen Standschub zu liefern. Die Erfindung kann
auch auf Gasturbinenantriebe für feste oder bewegliche Anlagen, wie elektrische
Zentralen, Lokomotiven, Schiffe usw. angewendet werden.
-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert.
-
Fig. i ist ein schematischer Achsenschnitt durch ein Strahltriebwerk,
und zwar ein Staustrahltriebwerk, das weder einen mechanischen Kompressor noch eine
Turbine aufweist; Fig. 2 ist ein Diagramm, in dem auf den Ordinaten die Geschwindigkeit
des den Ejektor verlassenden Dampfes und auf den Abszissen die Zeit aufgetragen
sind; Fig. 3 ist ein schematischer Schnitt einer Einrichtung zur Erzeugung des pulsierenden
' Dampfstrahles ; Fig.4 ist ein schematischer Schnitt eines Turbinenstrahltriebwerkes
gemäß der Erfindung.
-
In dem ohne mechanischen Kompressor arbeitenden Strahltriebwerk, das
in Fig. i dargestellt ist, wird atmosphärische Luft durch eine Öffnung i eingelassen,
die an der Vorderseite des anzutreibenden Fahrzeuges liegt. Diese Luft, der während
der Fahrt .eine gewisse Geschwindigkeit (Geschwindigkeit,des Fahrtwindes) verliehen
wird, erfährt zunächst in einem Rohr 2, das eine der Fahrtgeschwindigkeit angepaßte
Form hat (in der Zeichnung eine divergierende Form), eine Wiederverdichtung unter
Verminderung ihrer Geschwindigkeit. . Sie tritt darauf in eine Verbrennungskammer
3 ein, wobei sie durch eine trichterförmige Düse 4 hindurchströmt, die den Druck
der Luft erhöht und die unter der Wirkung eines Dampfstrahles arbeitet, der aus
einem in der Achse der Düse 4 angeordneten Ejektor oder Strahlrohr 5 austritt. Die
Verbrennnungskammer 3 weist einen oder mehrere Brenner auf, durch welche ein geeigneter
flüssiger Brennstoff in die Kammer 3 eingespritzt und darin verbrannt wird. Das
Gemisch aus Luft und- Verbrennungsgas wird schließlich entspannt und aus einer sich
gegen die Rückseite des anzutreibenden Fahrzeuges öffnenden Düse 7 ausgestoßen,
um den Antriebsstrahl zu liefern.
-
Der Dampf, welcher dem Strahlrohr 5 der Düse 4 zugeführt wird, wird
in einem zur Verdampfung von Wasser dienenden Rohrsystem erzeugt, das in der Verbrennungskammer
3 angeordnet ist; in der Zeichnung ist es in der Gestalt einer Schlange 8 dargestellt.
Dieses Verdampfersystem wird mittels einer Pumpe g mit Wasser gespeist, das die
Pumpe einem Behälter io entnimmt. Die Pumpe kann durch irgendeine zweckmäßige Vorrichtung
angetrieben werden, z. B. durch einen ortsfesten Elektromotor oder durch einen kleinen
Propeller, der. während -der Fahrt durch .den Fahrtwind angetrieben wird.
-
Die für die Verdampfung des Wassers notwendige Wärmemenge wird in
der Verbrennungskammer der durch den oder die Brenner 6 entwickelten Wärme entnommen.
Diese Wärme :ist im allgemeinen erheblich, und man kann auf irgendeine Weise die
Menge des den Brennern zugeführten Brennstoffes derart regeln, daß die für die Verdampfung
des Wassers notwendige Wärmemenge erhalten wird.
-
Die Wandung der Verbrennungskammer kann mit einem Mantel i i mit einer
schraubenlinienförmig verlaufenden Führungswand 12 versehen sein, in welchem ,das
von der Pumpe g kommende Wasser eine Vorwärmung erfährt, bevor es in das Verdampfersystem
8 eintritt. Diese Einrichtung gestattet, die Wärme, die durch die Wandung der Verbrennungskammer
hindurch verlorengeh:t, wiederzugewinnen.
-
In dem Dampfweg ist vor dem Strahlrohr 5 eine Vorrichtung 13 angeordnet,
die nachstehend an einer Ausführungsform näher beschrieben wird. Sie unterbricht
den Dampfstrahl periodisch und verleiht ihm dadurch einen pulsierenden Charakter.
Infolgedessen entweicht der Dampf aus dem Strahlrohr 5 in aufeinanderfolgenden Stößen.
In dem Intervall zwischen zwei Ausstößen wird die Düse 4 mit atmosphärischer Luft
gefüllt und der nachfolgende Dampfstoß schiebt diese Luft zur Verbrennungskammer,
wie es ein Kolben tun würde. Die Gesamtmenge an Luft und Dampf tritt mit einer Gesamtbewegungsgröße,
die größer als die anfängliche Bewegungsgröße des Dampfstoßes ist, bei konstanter
kinetischer Energie in die Verbrennungskammer ein. Die Leistung wird dadurch beträchtlich
erhöht, und unter sonst gleichen Verhältnissen
ist die Höhe des
Druckes, die in der Verbrennungskammer erhalten werden kann, größer als die, welche
mit einem kontinuierlichen Dampfstrahl erhalten würde.
-
Die Vorrichtung 13 kann eine Scheibe aufweisen, die sich in einer
zur Speiseleitung 5a des Strahlrohres 5 senkrechten Ebene zwischen zwei Abschnitten
dieser Leitung mit einer kontinuierlichen Bewegung dreht und :die eine Reihe von
an ihrem Umfang liegenden Löchern aufweist. Diese Löcher gehen während der Drehung
der Scheibe zwischen den beiden Abschnitten der Leitung 5a hindurch.
-
Eine andere Ausführungsform der Vorrichtung 13 ist in Fig.
3 dargestellt. Sie weist ein zylindrisches Gehäuse 14 auf, das in die das Strahlrohr
5 speisende Leitung 5a eingeschaltet ist, wobei die beiden Abschnitte dieser Leitung
durch geeignete Flansche mit zwei gegenüberliegenden Öffnungen 15 des Gehäuses
14 verbunden sind. In dem Gehäuse 14 bewegt sich eine eingeschliffene Stange 16,
die gegebenenfalls mit Dichtungsringen vorgesehen ist und die durch den Zapfen 17
eines Exzenters 18, das durch einen nicht dargestellten geeigneten Motor um seine
Achse gedreht wird, hin und her bewegt wird.
-
Das Ende der Stange 16 trägt eine Kulisse i9, in der sich der Zapfen
17 des Exzenters verschiebt. Die Stange 16 ist mit einer kreisförmigen Nut
2o versehen, die bei der Hin- und Herbewegung der Stange entweder außerhalb des
zwischen den beiden Öffnungen 15 befindlichen Raumes liegt (wie in Fig. 3 gezeigt),
um dadurch die Dampfzufuhr zu unterbrechen, die in diesen Raum gelangt, um dem Dampf
den Durchgang zum Strahlrohr 5 zu gestatten.
-
Trägt man auf einer Abszisse die Zeit und auf einer Ordinate :die
Geschwindigkeit (d. h. die Dampfabgabe aus dem Strahlrohr 5), so erhält man ein
Diagramm entsprechend dem gemäß Fig.2. Aus diesem Diagramm ist die steile, merklich
rechtwinklige Form der Dampfausstöße ersichtlich. Diese Form ist für eine gute Leistung
des pulsierend arbeitenden Ejektors vorteilhaft. Man kann diese Form mit der Unterbrechervorrichtung
gemäß Fig. 3 dadurch erhalten, daß man der Nut 20, wie gezeigt, eine geringere Breite
gibt, als sie die Öffnungen 15 des Gehäuses aufweisen, so daß die Zeiten, während
deren die Nut nur teilweise urabgedeckt ist, im Vergleich zu den Zeiten, während
deren die Nut vollständig urabgedeckt ist, klein sind.
-
In gewissen Fällen wird es vorzuziehen sein, daß das Zeitintervall
zwischen .den aufeinanderfolgend:en Dampfausstößen größer als das Zeitintervall
ist, das von einem Ausstoß selbst eingenommen wird. Dieses Ergebnis kann :dadurch
erhalten werden, daß man die Nut 2o auf der Stange 16 in zweckentsprechender Lage
anordnet.
-
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist außerdem eine
Regeleinrichtung vorgesehen, welche die Form .des Diagrammes zu verändern gestattet.
Gemäß dieser Einrichtung ist das Gehäuse 14 mit einem Teil 14a in einen festen Kopfteil
i4b, der den Exzenter enthält, so eingesetzt, daß es allmählich verschoben werden
kann. EineMutter 14c, die mit zwei Gewinden entgegengesetzter Steigung i4 d bzw.
14e versehen ist, welche .mit entsprechenden Gewinden des Gehäuses 14 und des Kopfteiles
i4 b im Eingriff stehen, gestattet eine mehr oder -weniger starke Entfernung des
Gehäuses 14 vom Kopfteil i4b.
-
Das in Fig.4 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von
dem der Fig. i nur durch das Vorhandensein eines mechanischen Kompressors, welcher
in sehr schematischer Form und in verkleinertemMaßstab bei 21 dargestellt ist und
welcher derart wirkt, daß der pulsierend arbeitende Dampfejektor 5 nur einen Teil
.der Luftverdichtung bewirkt. DieserTeil wird im allgemeinen der Endteil der Verdichtung
sein, weil es vorteilhaft ist, eine Verdichtung von Dampf in dem mechanischen Kompressor
zu vermeiden. Außerdem ist in Fig. ,4 in sehr schematischer Form eine Gasturbine
22 dargestellt, die mit dem die Verbrennungskammer 3 verlassenden Gas-Dampf-Gemisch
gespeist wird. Diese Turbine 22 dient zum Antrieb des Kompressors2i, aber es ist
auch möglich, daß der Kompressor durch eine Antriebsvorrichtung anderer Art, z.
B. durch einen Kolbenmotor od. dgl., angetrieben wird.
-
Es ist überdies zu bemerken, daß die Erfindung nicht nur auf Strahltriebwerke
oder Turbinenstrahltriebwerke für Luftfahrzeuge, sondern in gleicher Weise auf alle
Gasturbinenantriebe für feste oder bewegliche Anlagen verwendbar ist.
-
Eine der Anwendungsmöglichkeiten der beschriebenen Einrichtung mit
Luftverdichtung durch Einspritzen von Wasserdampf ist die Erzeugung eines Standschubes
bei Staustrahltriebwerken, wodurch der Start eines mit einem solchen Antrieb ausgerüsteten
Flugzeuges ermöglicht wird. Wenn das Abheben vom Boden erfolgt ist und die Geschwindigkeit
des Flugzeuges genügend groß geworden ist, kann das Einspritzen von Wasserdampf
unterbrochen und das Staustrahltriebwerk in seinem gewöhnlichen Arbeitszustand betrieben
werden. Auf diese Weise kann der Verbrauch an Wasser herabgesetzt werden.