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Kraftanlage mit Brennkraftkolbenmaschine und Gasturbine Die Erfindung
betrifft eine Brennkraftmaschinenanlage, die insbesondere zum Antrieb von Flugzeugen
geeignet ist.
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Gemäß der Erfindung besteht die Kraftanlage aus der Vereinigung einer
Zweitaktbrennkraftmaschine, die zweckmäßig mit Kompressionszündung arbeitet, einer
von der Maschine angetriebenen Luftschrawhe, einem Zentrifugalkom.pressor, der ständig
Luft der Maschine unmittelbar zuführt, durch die er über ein Getriebe angetrieben
wird, so daß der Brennkraftmaschine beim Start und beim Leerlauf Luft zugeführt
werden kann, einer von den Abgasen der Brennkraftmaschine angetriebenen Turbine
und einem mehrsturen Axialkompressor, der von der Turbine angetrieben wird; während
des Betriebs der Turbine liefert der Kompressor ständig >J`berdruckluft für die
Brennkraftmaschine an den von der Maschine angetriebenen Zentrifugälkompressor,
der auf diese Weise tatsächlich als letzte Stufe des Axialkompressors wirkt. Von
der Turbine kann eine zweite Luftschraube angetrieben werden, die zusammen mit d,er
von der Brennkraftmaschine angetriebenen Luftschraube gleichachsig angeordnet sein.
kann.
Die Abgase der Brennkraftmaschine können auf ihrem Weg in
die Turbine vollständig oder teilweise durch eine Kammer geleitet werden, in der
ein Brennstoff verbrennt. Die Abgase der Turbine werden durch mindestens eine Düse
in die Außen-Itift abgelassen, wobei sie eine Antriebswirkung ausüben. Zusätzlich
zu einer unmittelbar von den Abgasen der Brennkraftmaschine angetriebenen und den
Axialkompressor antreibenden Hochdruckturbine kann eine zweite Niederdruckturbine
vorgesehen sein, die mit den Abgasen der Hochdruckturbine beschicktwird; dieNiederdruckturbinewird
dazu benutzt, um unter Vermittlung eines Getriebes eine Luftschraube mit veränderlicher
Steigung anzutreiben. Die Abgase der I-Iochdruckturbine können auf ihrem Weg zur
Niederdruckturbine ganz oder teilweise durch eine Kammer geführt werden, in der
Brennstoff verbrennt. Es können aber auch zwei getrennte Turbinen vorgesehen sein,
die beide mittels Abgasen betrieben werden, die ihnen unmittelbar von der Brennkraftmaschine
zugeführt werden; hierbei wird der mehrstufige Axialkonipressor von einer der beiden
Turbinen und eine Luftschraube mit veränderlicher Steigung über ein Getriebe von
der zweiten Turbine angetrieben. Bei dieser Anordnung können die Abgase der Brennkraftmaschine
auf ihrem Wege zu den beiden Turbinen durch eine Kammer geführt werden, in der Brennstoff
verbrennt.
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Von dem durch die Turbine angetriebenen Axial-Kompressor gelieferte
Überdruckluft kann über einen Zwischenkühler dem Zentrifugalkompressor zugeführt
werden, der, wie erwähnt, von der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Gegebenenfalls
kann ein Wärmeaustauscher vorgesehen sein, durch den einerseits von dem maschinenangetriebenen
Zentrifugalkompressor gelieferte Luft auf ihrem Wege zur Brcnmkraftmaschine und
anderseits die aus der Turbine bzw. dien Turbinen austretenden Gase hindurchgeleitet
werden.
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Treibt eine Gasturbine eine Luftschraube an, so arbeitet diese getrennt
von der durch die Brennkraftmaschine angetriebenen Luftschraube; die eine Luftschraube
übt dann eine Druckwirkung aus, die andere dagegen eine Zugwirkung. Es können auch
beide Luftschrauben gleichachsig und nebeneinander angeordnet sein, ohne über ein
Getriebe oder in anderer Weise miteinander in Verbindung zu stehen; beide Luftschrauben
laufen in entgegengesetzten Richtungen um, und zwar gegelKnenfalls mit unterschiedlichen,
veränderlichen Geschwindigkeiten. Die Luftschrauben können in ihrer Steigung verstellbar
sein; es können aber auch Schrauben mit konstanter Geschwindigkeit zur Anwendung
kommen; jede Luftschraube ist mit besonderen Einrichtungen zur Verstellung der Steigung
ihrer Schraubenblätter versehen, so daß die Möglichkeit besteht, die Schraubenbläfter
beider Luftschrauben auf verschiedene Steigungen einzustellen.
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Die in der Kraftanlage zur Anwendung köanmende Brennkraftmaschine
arbeitet nach dem Zweitaktverfahren ttnd zweckmäßig mit Kompressionszündung; es'
kann statt dessen aber auch eine Maschine mit Zündkerzenzündung zur Anwendung kommen;
aber auch in diesem Falle arbeitet die Maschine nach dem Zweitaktverf ahren.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
veranschaulicht.
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Fig. i zeigt im Grundriß und teilweise im Längsschnitt eine Ausbildung
der Kraftablage, wie sie zur Anwendung im Flugzeug geeignet ist und die zwei Luftschrauben
aufweist, von denen die eine als Zugschraube dienende Luftschraube von der Brennkrafbmaschine
angetrieben wird, während die andere als Druckschraube dient und von der Gasturbine
angetrieben wird; Fig. 2 zeigt in ähnlicher Darstellung eine Anordnung mit nur .einer
Luftschraube. die von der Maschine angetrieben wird, während die aus der Turbine
austretenden Abgase mit Vortriebwirkung aus einer Düse austreten; Fig.3 zeigt schematisch
im Grundriß eine Anordnung, bei der die Abgase einer Turbine, welche den zweiten
Kompressor antreibt, einer zweiten Niederdruckturbine zugeführt werden, welche eine
zweite Luftschraube antreibt; Fig. .4 zeigt in ähnlicher Darstellung eine Kraftanlage,
bei welcher die Abgase der Brennkraftmaschine zu einem Teil einer Turbine zugoführt
werden, weiche den zweiten Kompressor antreibt, und zu einem anderen Teil einer
zweiten Turbine, durch die die zweite Luftschraube angetrieben wird; Fig.5 zeigt
schließlich im Grundriß und im Längsschnitt eine Abänderung der Anordnung nach Fig.
i.
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Wie aus Fig. i zu erkennen ist, treibt die Brennkraftmaschine A an
ihrem einen Ende eine Luftschraube B und an ihrem anderen Ende entweder unmittelbar
oder über ein Getriebe einen Zentrifugalkompressor C an; die von diesem Kompressor
gelieferte Luft wird durch eine Leitung A1 der Brennkraftmaschine zugeführt. Die
Abgase der Maschine gelangen durch die Leitungen A= und. E zurTurbineD und treten
danach durch das RohrDl insFreie. ZweckmäßigliegtnebenderRohrleitungE, durch welche
die Gase auf ihrem Weg von der Brennkraftmaschine zur Turbine gelangen, eine Kammer
F, in welcher Brennstoff, beispielsweise an der Stelle F1, verbrannt wird. Die beiden
Enden der Kammer F können durch Kanäle F=, F3 mit der Rohrleitung E in Verbindung
stehen, wobei geeignete Ventile El so angeordnet sind, daß der Weg der Gase durch
die Leitung E abgelenkt und die Gase beispielsweise gezwungen werden können, durch
die Kammer F hindurchzutreten; es kann aber auch die Kammer abgeschaltet werden.,
so daß die Gase unmittelbar der Turbine E zuströmen. Ein Kanal Cl, in dem ein Ventil
C= vorgesehen ist, verbindet den Kompressor C mit der Leitung E, und zwar zweckmäßig
in der Nähe des ventilgesteuerten Nebenkanals FE, der in die Verbindungskammer F
führt. Durch den Kanal Cl kann Luft aus dem Kompressor C abgezapft werden, so daß
sie sich
mit den Abgasen in dem Rohr A= tnischt, wenn diese so abgelenkt
werden, <laß sie in die KammerF eintreten; diese Luft unterstützt also die Verbrennung
des Brennstoffes in der KamtnerF. Gegebenenfalls kann. der Kanal C' unmittelbar
in die Verhrennungskanimer F einmünden.
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Die Turbine P treibt vermittels ihrer Welle I>=
einen mehrstufigen.
Axialkotnpressor G an; die von diesem Kompressor verdichtete Luft wird über die
Leitung (;' (Irin Kompressor C zugeführt; der auf diese Weise als weitere Stufe
des Kompressors G wirkt. Der Zentrifugalkompressor kann selbst inelirstuhg ausgebildet
sein. Zweckmüßig wird ein "Zwischenkühler // vorgesehen mit Leitungen H' und -1I-
sowie N"entilen /h3; gegebenenfalls kann also die vom 1,7,onil)ressor G gelieferte
Luft gezwungen werden, durch den Zwischenkühler /( zu strömen, bevor sie den Kompressor
C erreicht. Gegebenenfalls kann der Zwischenkühler mittels der Ventile 113 abgeschaltet
werden. Außer dem Kompressor G treibt die Turbine lxi dieser Bauart mit ihrer Welle
I)= noch eine Luftschraube I an, deren Steigung veränderlich sein
oder die mit gleichbleibender Geschwindigkeit umlaufen kann; durch \@erstellting
ihrer Schraubenblätter läßt sich die Geschwindigkeit der Turbine D regeln. Wie zu
erkennen, arbeitet die Luftschraube I als Druckschraube; durch anderNveitige Anordnung
der Turbine ge{"cuniiller der Brennkraftmaschine A kann die Luftschraube aber auch
als Zugschraube wirken. genau wie die von der Bretinkraftmaschine angetriebene Luftschraube
K. l>as Verbrennen von Brennstoff in der Kammer F und das Hindurchführen der Allgase
durch diese Kammer wird vor allen. dann zur Anwendung kommen. wenn die Turbine P
eine zusätzliche Kraft entfalten soll.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. z sind alle wichtigen Einzelheiten
in der gleichen Weise angeordnet wie hei der Anlage nach Fig. r, mit der Ausnahme
jedoch. daß von der Turbine D keine zweite Luftschraube angetrieben wird; vielmehr
-erlassen die Abgase diese Turbine mit Vortriebswirkung durch eine Düse K. Um die
Geschwindigkeit der Turbine D regeln zu können, ist ein Nebenkanal K' mit einem
Ventil K= vorgesehen, der die Leitung F_ finit der Düse K verbindet, wobei die Leitung
1: dazu dient, die Abgase von der Brennkraftmaschine der Turbine D zuzuführen. Auf
diese Weise kann ein Teil der Abgase unmittelbar der Düse K zugeführt und dadurch
die Geschwindigkeit der Turbine geregelt werden. Zweckmäßig sind besondere Mittel
vorgesehen, um den Querschnitt der Düse in bekannter `'eise zu regeln. Die Veränderung
des Düsenquerschnitts kann als Mittel zur Regelung der Geschwindigkeit der Turbine
D dienen, und zwar entweder zusätzlich zu dem Nebenkanal K' oder an seiner Stelle.
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Bei der Anordnung nach Fig. 3 strömen die Abgase der Brennkraftmaschine
A zur Turbine D, die den Axialkompressor G antreibt; in diesem Falle
aber treten die Abgase der Turbine D in eine Niederdruckturbine L, die die zweite
Luftschraube 1 über ein Getriebe antreibt; dieses Getriebe ist in denn Gehäuse 11
untergebracht, das auch das Getriebe enthält, über welches die erste Luftschraube
B von der Brennkraftmaschine A angetrieben wird. Die beiden Luftschrauben B und
1 laufen in entgegengesetzten Richtungen um; beide sind in ihrer Steigung veränderlich
oder drehen sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit. Die Abgase von der Hochdruckturbine
D strömen durch die Leitung D' und gelangen enti@eder unmittelbar zur- Niederdruckturbine
L oder sie werden so abgelenkt, daß sie durch eine Kammer N' hindurchtreten, in
der bei N' Brennstoff verbrennt. Mit Hilfe von Ventilen D3 kann der Strom der Gase
durch die Leitung N" in die Karntner N und aus dieser Kammer durch die 1_eitung
\"3 zur Turbine L geregelt werden. Eine Abzweigung lies mit Ventil E3 gestattet
es, die Geschwindigkeit der Turbine D zu regeln, indem ein Teil der Abgase der Brennkraftmaschine
so abgeleitet wird, daß er aus der Abgasleitung Ein den Kanal D' und von dort entweder
über die Kammer \- oder unmittelbar zur N iederdruckturbine L gelangt. Diese Turbine
kann ganz abgeschaltet und damit kann der Antrieb der Luftschraube 7 unterbrochen
werden, wenn ein Ventil O in einem Kanal O' geöffnet. wird; es treten dann die Gase
aus der Leitung D' unmittelbar in die Leitung L', durch die die Allgase der Turbine
Lins Freie gelangen. Auch bei dieser Anordnung tritt die Luft vom Kompressor G entweder
durch einen Zwischenkühler H oder sie gelangt unmittelbar zu dem von der Maschine
angetriebenen Kompressor C.
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Bei einer Abänderungsform der Anordnung nach Fig. 3 kommt nur eine
einzige Luftschraube, beispielsweise eine solche mit fünf Flügeln zur Anwendung;
diese Luftschraube kann über das Getriebe sowohl von der Brennkraftmaschine A als
auch von der Niederdruckturbine L angetrieben werden. Die auf diese einzige Luftschraube
ausgeübte Kraft der Turbine L wird zweckmäßig beim Start des Flugzeuges ausgenutzt
oder wenn es in geringer Höhe und mit geringer Geschwindigkeit fliegt. Anderseits
kann in großen Höhen und bei hohen Geschwindigkeiten der Nebenkanal 0 geöffnet sein,
wodurch die zweite Turbine abgeschaltet wird; alle Abgase der Hauptturbine D treten
dann zweckmäßig durch eine Düse ins Freie und üben auf diese Weise eine Vortriebswirkung
aus.
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Die in F i1. d. veranschaulichte Anordnung ähnelt der soeben beschriebenen
und in Fig. 3 dargestellten; nur wird hier die zweite Turbine L nicht von den Abgasen
der Turbine D angetrieben; vielmehr wird ein Teil der Gase der Brennkraftmaschitie
unmittelbar der Turbine L zugeführt, und zwar durch eine Zweigleitung E4,, in der
ein Absperrventil E5 vorgesehen ist und die von einer Hauptleitung E abzweigt, durch
welche die Abgase der Bremikraftmaschine zur Turbine D geführt werden. Wie zuvor
wird die Geschwindigkeit der Turbine D dadurch geregelt, daß ein Teil der Abgase
durch den Kanal E9 an der Turbine vorbeigeführt wird. Hierzu ist das Ventil E3 zu
öffnen. Die Geschwindigkeit der zweiten Turbine L wird durch Verstellung der Flügel
der verstellbaren
Luftschraube I geregelt, die durch diese Turbine
angetrieben wird.
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Auch in diesem Falle also kann in der gleichen Weise und zu dem gleichen
Zweck wie mit Bezug auf die Anordnung nach Fig. 3 beschrieben wurde, nur eine einzige
Luftschraube vorgesehen sein, die über das Getriebe von der Brennkraftmaschine und
außerdem durch die zweite Turbine L angetrieben wird. Wenn diese Turbine abgeschaltet
werden soll, wird das Ventil E5 geschlossen; sämtliche Abgase gelangen dann durch
die Turbine D; um eine Überlastung dieser Turbine zu verhindern, kann ein Teil dieser
Gase durch den Kanal E2 abgeleitet werden. Anstatt die Zufuhr sämtlicher Abgase
zurTurbine L vollständig abzuschalten, kann dennoch ein Teil von ihnen auf die Turbine
zur Einwirkung kommen, und zwar in einem solchen Maße, das ausreicht, um die Trägheit,
Reibung u. dgl. zu überwinden.
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In Fig. 5 ist eine weitere Abänderungsform veranschaulicht, und zwar
in Verbindung mit der allgemeinen Anördnung nach Fig. i ; sie ist aber ebensogut
bei Anlagen nach den Fig. 3 und 4 anwendbar. Durch einen Wärmaaustauscher P werden
einerseits mittels des Kanals Dl die Abgase der Turbine D hindurchgeführt und anderseits
die Druckluft, die aus dem Kompressor C durch die Leitung Cghindurchtritt, wenn
sie zur Ansaugleitung A1 der Brennkraftmaschine gelangt. Gegebenenfalls können die
Abgase der Turbine D daran gehindert werden, durch den Wärmeaustauscher P hindurchzutreten,
indem sie nämlich durch die Leitung D4 abgeführt werden. Diese Ableitung der Gase
wird mittels der Ventile Di gesteuert. Wird bei Anlagen nach Fig. 3 und 4 ein Wärmeaustauscher
verwendet, so können gegebenenfalls nur die Abgase einer der beiden Turbinen
D und L durch den Wärmeaustauscher hindurchgeführt werden; der Strom
dieser Abgase durch den Wärmeaustauscher wird so geregelt, daß gegebenenfalls diese
Abgase ganz oder teilweise um den Wärmeaustauscher herumgeführt werden.
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Bei Anlagen, wie sie mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 beschrieben wurden,
können die gleichachsig angeordneten Luftschrauben unabhängig voneinander umlaufen;
die Luftschrauben können aber auch über Getriebe miteinander gekuppelt sein, jedoch
so, daß sie in entgegengesetzten Richtungen umlaufen.
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Bei Anwendung der vorstehend beschriebenen Kraftanlage und bei Anwendung
dieser Anlage zum Antrieb von Flugzeugen ist es möglich, unabhängig von der Geschwindigkeit
der Brennkraftmaschine einen Zusatzantrieb einzuschalten, ohne,dabei eine Zufuhrdrossel
betätigen zu müssen. Ein ständiger Zusatzantrieb kann bis zur Erreichung der kritischen
Höhe .aufrechterhalten werden, ohne daß die Luftzufuhr mit der Drossel gesteuert
zu werden braucht; denn es ist möglich, die Geschwindigkeit des Kompressors zu verwenden,
der von der Turbine angetrieben wird, ohne dabei die Geschwindigkeit der Brennkraftmaschine
zu ändern. Diese Vorteile ergeben sich aus dem Umstand, daß der Kompressor aufgeteilt
ist und die einzelnen Teile unabhängig voneinander antreibbar und regelbar sind.