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Einrichtung zur Energiegewinnung aus den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen
In dem Hauptpatent 657 607 ist ein Verfahren zur Energiegewinnung aus den
Ab-
gasen der ein Flugzeug antreibenden Verbrennungskraftmaschinen beschrieben,
bei welchem der durch die Abgaswärme erzeugte Dampf in einer Dampfturbine und das
verbleibende Druckgefälle der Abgase in einer Abgasturbine Arbeit leisten. Die Dampfturbine
und die Abgasturbine treiben gemeinsam einen Verdichter an, der die zum Betriebe
von Flugzeugen benötigte Luft verdichtet, welche insbesondere der Aufladung der
Verbrennungskraftmaschinen zur Aufrechterhaltung der vollen Antriebsleistung in
großen Flughöhen und der Belüftung der Flugzeugkabinen dient.
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Wird der Verdichter in. der oben angeführten Weise angetrieben, so
muß die Drehzahl der Dampfturbine, der Gasturbine und des Verdichters entsprechend
der zulässigen Drehzahl des höchst beanspruchten Maschinenteils gewählt -werden,
wodurch der Wirkungsgrad der anderen Teile der Maschinengruppe schlechter wird,
da diese Teile nicht mit ihren günstigsten Drehzahl-en betrieben werden.
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Zur Behebung dieses Mangels wird gemäß der vorliegenden Erfindung
vorgeschlagen, die Hochdruckstufe des Verdichters durch die Dampfturbine und die
Niederdruckstufe des Verdichters mittels der Abgasturbine unabhängig voneinander
mit verschiedenen Drehzahlen anzutreiben. Durcheine derartige Aufteilung der Verdichtungsgruppeergibt
sich der Vorteil, daß jede der Maschinen der Aufladeanlage mit ihrer günstigsten
Drehzahl betrieben werden kann, so daß der Wirkungsgrad der gesamten Anlage am günstigsten
wird. Durch diese Anordnung wird ferner ein günstiger Wirkungsgrad beim Aufstieg
des Flugzeuges, also auch bei veränd2r1ic'hem Druckverhältnis des Verdichters, erreicht,
da bei niederem Druckverhältnis die Verdichtung fast ausschließlich durch die Hochdruckstufe
des Verdichters erfolgt, während - die Niederdruckstufe erst in größeren
Höhen zur Verdichtung der Luft beiträgt. Durch die Trennung des Niederdruck- und
des Hochdruckteils der Verdichteranlage wird es auch möglich, zwischen beiden Verdichtern
einen Zwischenkühler zur Kühlung der in der Niederdruckstufe verdichteten Luft vorzusehen.
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Die Erfindung umfaßt ferner eine Einrichtung zur Energiegewinnung
aus den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, bei der die Rückgewinnung der Energie
in zwei einen Niederdruckverdichter und einen Hochdruckverdichter
antreibenden
Gasturbinen erfolgt, wobei die den Hochdruckverdichter antrei-])ende Gasturbine
so ausgelegt ist, daß beim Durchflie-cri niudür,#r Höhen ihre Antriebsleistun- zur
aileinigen Deckun-- des Luftbedarfs durch den Hochverdichter ausreicht und in der
Zweigstelle der zu beiden Turbinen führunden Gasleitun- eine Umschaltklappe vorges#Iien
ist, durch die der Zustrom der Gasmcii,-u züi der den Niederdruckverdichter antreibenden
Turbine beim übergang in größere Höhen gesteigert -wird. Es ist bekannt, die Abgasenergie
in zwei Turbinen auszunutzen, von welchen die eine den Niederdruckverdichter und
die andere den Hochdruck-verdichter aptreibt. Hierbei verarbeiten die Gasturbincii
stets -leiche oder konstant bleibende Gasmengen. Beini Ge-enstand der Vorveröfi-,ritlcliiiii-
sind die Saminelleitungen für die Auspufigase durch ein Rohrstück vereiii;glt, und
es ist ein Schieber vorg ,gesehen. der im Gegensatz zur Anordnun- bei der Erfindun-
hinter den Abzweiungen züi den Gasturbinen liegt und dem-(Xemäß die Auspufigase
entweder ins Freie oder -leichzeitig ZU beiden Ab-asturbinen #b zn leitet.
Die Möglichkeit zum Betrieb nur einer Turbine bzw. mir eines Gebläses und ferner
zur Beeinflussung der Drehzahlen der antreibenden Turbinun durch Zufuhr verschiedener
und veränderlicher Gasinen-en besteht nicht. Ein günstiger Laclerbetrieb ist somit
nur in einer bestimmten Flughöhe erreichbar, darunter oder darüber kann die Abgasenergie
nur zum Teil und dann mit schlechteinWirkungsgrad nutzbar gemacht werden.
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lin Gegensatz hierzu ist durch die erfindungsgemäße GasverteiltiD-
eine Anpassung des #7erdichterbetriebs über einen -roßen C
Flughöhenbereich
an die sich ändernden Luftverhältnissc mö--lich, und es können die AbzD ,gase in
jeder Flughöhe unter bestem Wirk-uii-s-rad in beiden Turbinen nutzbar gemacht werden.
ohne daß Energie verlorengeht. Daneb-,#ii kann etwai e aus der Ab as-9
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warme noch gewonnene Energie anderen Zwecken, beispielsweise der Belüftung
des Kühlers, dienen.
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In der Zeichnung sind verschiedene Anlagen gemäß der Erfindung beispielsweise
dargestellt.
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Gemäß Abb. i wurdun die Abg asc der Verbrennungskraftmaschine i über
die Leitung 2 durch einen #'(#rclinipfer - , C geleitet, ans dem sie
über die Leitung i , ) zur Gasturbine 6 strönien. Der in dem \-erd-iirtipfer",
erzeugte Dampf strömt, nachdem er zweckmäßigerweisu Überhitzt worden ist, der Dampfturbille,
5 züi, wo er seine aus der Abgaswärme gewonnene Energie abgibt. Während
die Dampfturbilie 5 den Hochdruckverdichter 7
antreibt, wird der Antrieb
des Niederdruckverdichters 9 durch die Gasturbine 6 bewirkt. Die beiden
Verdichter werden möglichst achsparallel aufgestellt und mit verschiedenen Drehrichtungen
betrieben, um die auftretenden KreiseImomente weitgehend aufzuheben. Zwischen den
beiden Verdichtern ist ein Zwischenkühler 14 aDgCordnet.
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In niederen Höhen, in denen schon Dampf durch die Abgaswarme in dem
Kessel 3 erzeugt wird, arbeitet praktisch nur die Hochdruckstufe
7 des Verdichters. Um zu vermeiden, daß die von dem Hochdruckverdichter
7 in niederen Höhen zu verdichtende Luft über den Niederdruckverdichter
9 und den Zwischenk-ühlcr 14 angesatigt werden muß, ist zwischen dem Hochdruckverdichter
7 und dem Zwischenkühley 14 eine besondere Ansaugelehmig 26 vorgeschen,
in die ein Unterdruckventil 27 eingescbaltet ist, welches sich bei einem
geringen Unterdruck in der Ansaugeleitung 26 gegcnüber dem Druck der Atmosphäre
öfinet, so daß die Luft unter Umgehung der Niederdruckstufe 9 und des Zwischenkühlers
14 unmittelbar angesaugt wird. Sobald eine Flughöhe erreicht ist, in der ein in
der Gasturbine 6 ausnutzbares Druckge tD fälle der Abgase zur Verfügung
steht, läuft auch die Gasturbizie 6 an und verdichtet die durch die Ansaugeleitung
28 eintretende Luft. Infolgedessen strömt dem Hochdruckverdichter
7 schon vorverdichtete Luft zu, so daß sich das in der Aiisaugeleitung
26 des Hochdruckverdichters 7 angeordnete Unterdruckventil
27 schließt. Mit der Erlangung größerer Flughöhen nimmt die Gasturbinenleistung
gegenüber der Dampfturbinenleistung immer mehr zu, d. h. die Verdichtungsleistung
der gesamten Anlage wird größer.
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Da die Gasturbine 6 und der von ihr angetriebene Niederdruckverdichter
9 erst in größeren Höhen wirksam an der Verdichtung der zum Betrieb des Flugzeuges
benötigten Luft teilnimmt, wird die Gasturbine 6 so beniessen, daß sie ihren
günstigsten Wirkungsgrad ungefähr in der von dem Flugzeug zu erreichenden Gipfelhöhle
hat. Es ist unerheblich, daß der Wirkungsgrad der Niederdruckstufe in niederen Höhen
ein schlechter ist, da in diesen Höhen die erforderliche Verdichtungsleistung allein
durch den mittels der Dampfturbine 5 angetriebeneu Hochdruckverdichter 7
gedeckt werden kann. Infolge der Aufteilung des Verdichters kann der Hochdruckverdichter
7 entsprechend seinem kleinen Ansaugevolumen mit höherer Drehzahl betrieben
werden als der Niederdruckverdichter.
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Die von den Verdichtern geförderte Luft wird der Verbrcimungskraftmaschine
i durch die Leitung 37 zugeführt; die nicht zur Aufladung
benötigte
Luft kann durch die Leitung 38' den Kabinen zwecks Belüftung zugeleitet werden.
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Die Abb. 2 zeigt eine im wesentlichen in der gleichen Weise betriebene
Anlage. Zur erhöhten Ausnutzung der Verlustwärme sind auch die Kühlräume 15 der
Verbrennungskraftmaschine i an den Wasserkreislauf des Verdampfers 3 angeschlossen.
Es kann also auch die in den Kühlräumen 15 durch das Kühlwasser abgeführte
Wärme bei der Erzeugung von Dampf nutzbar gemacht werden.
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in der Abb. 3 ist eine Anlage dargestellt, bei der zur Verdichtung
der Luft nur die Ab 'gase verwendet -werden. Die aus der Verbrennungskraftmaschine
i austretenden Ab-
gase strömen über- die Leitungen 2, 13 zu zwei Gasturbinen
29, 3o, von denen die eine den Hochdruckverdichter 7 und die andere den Niederdruckverdichter
9 antreibt. An der Ab-
zweigung der Leitungen 3 1,
3 2 ist in der Ab-
gasleitung 13 eine Umschaltklappe 34 vorgesehen,
die entsprechend ihrer Stellung die Abgase nur zu der Turbine 3o oder zu beiden
Turbinen 29, 3o leitet oder auch, falls eine Verdichtung von Luft nicht erforderlich
ist (in Bodennähe), die Abgase ins Freie entweichen läßt. Zwischen dem Niederdruckverdichter
9 und dem Hochdruckverdichter 7 ist in der gleichen Weise, wie oben
beschrieben, der Zwischenkühler 14 und zwischen diesem und der Hochdruckstufe
7 eine Ansaugleitung 26 mit einem Unterdruckventil 27 angeordnet.
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Beim Aufstieg in größere Höhen kann der Abgasstrom, welcher über die
Leitung 13 zu den Turbinen tritt, durch die Umschaltklappe 34 SO geleitet
werden, daß er nur in der den Hochdruckverdichter 7 antreibenden Gasturbine
3o Arbeit leistet. Die Turbine 30 ist zweckmäßig so bemessen, daß sie ihren
günstigsten Wirkungsgrad in den von dem Flugzeug zu durchfliegenden nieder-en
Höhen hat. Dadurch wird erreicht, daß die Abgase vor den Düsen der Turbine3o auf
einen höheren Druck aufgestaut werden, so daß auch in niederen Höhen ein genügend
großes Gefälle der in der Gasturbine3o auszunutzenden Ab-
gase gewährleistet
ist und somit die Antriebsleistung, welche zur Verdichtung der benötigten Luftmengen
erforderlich ist, gedeckt werden kann. Aber auch in , größeren ZD Höhen ist
die Verdichtung der erforderlichen Luftmenge möglich, da dann dem Hochdruckverdichterl
schon die von dem Niederdruckverdichter 9 vorverdichtete Luft zuströmt. Der
den Gasturbinen 29, 30 zugeteilte Abgasstrom kann den jeweiligen Verhältnissen
durch die UmschaltklapPc 34 angepaßt werden.
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-Durch die Verteilung des Abgasstromes auf die beiden Gasturbinen
29, 3o können diese mit einem geringeren Laufraddurchmesser bemessen werden,
da nur die halben Schaufelhöhen erforderlich sind. Damit verringert sich auch die
Schaufel- und Laufradbeanspruchung, so daß die Turbinen mit höheren Drehzahlen als
sonst zulässig betrieben oder weit höheren Temperaturen der Abgase ausgesetzt werden
können, in welchem Falle das ausnutzbare Wärmegefäll#e größer ist und die Leistung
der Turbinen zunimmt.
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Bei der in Abb. 4 dargestellten Anlage durchströmen die von der Verbrennungskraftmaschine
i kommenden Abgase zunächst einen überhitzer 22, in dem der für die Ab-
kühlung
der Abgase erforderliche Temperaturbetrag abgeführt wird. Die Verbrennungskraftmaschine
i wird durch Anwendung der an sich bekannten Verdampfungskühlung gekühlt.
Der in den Kühlräumen 15 der Verbrennungskraftmaschine i entwickelte
Dampf tritt durch die Leitung 36 zu dem überhitzer 22 und von hier aus in eine Dampfturbine
24, welche dem Antrieb eines Gebläses 25
dient. Dieses -Gebläse dient
dazu, Luft durch einen Kühler 18 zu saugen, in dem der in der Dampfturbine 24 entspannte
Dampf niedergeschlagen wird. Auf diese Weise können die Abgase auf die für die Gasturbinen
--9, 30
zulässige Temperatur herabgekühlt werden, ohne daß sich Verluste durch
die Herabkühlung ergeben. Die Verdichtung der Luft erfolgt in der gleichen Weise
wie bei der Anlage nach Abb. 3.