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Abgasturbine, insbesondere zum Antrieb von Aufladegebläsen für Flugmotoren
Die Erfindung betrifft eine Abgasturbine, die als besondere Ant;riebsmaschi.ne an:
eine unabhängig von ihr äußere Arbeit abgebende Brennkr:aftmaschine angeschlossen
ist, insbesondere zum Antrieb von Aufl.adegebläsen für Flugmotoren. Die Leistung
derartiger Turbinen wurde bisher vielfach dadurch geregelt, daß vor diesen Gas abgeblasen
wurde, was Verluste zur Folge hat.
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Demgegenüber liegt der Erfindung .die Aufgabe zugrunde, die Leistung
der Turbine:, .der das, Abgas der Rren.nkraftmaschine zugeleitet wird, mit ,geringeren
Abgasverlusten zu regeln.. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Leistung der
Abgasturbine durch zusätzliche Verbrennung von Brennstoff in einer Hilfsbrennkammer
regelbar ist. De.r Vorteil der Erfindung besteht darin, daß -durch diese bei in
.der Leistung regelbaren Abgas-Üurbinen. in einfacher Weise eine bessere Aus.-nutzung
der in den Abgasen vorhandenen Energie ermöglicht wird.
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An sich ist es bekannt, .die Leistung von Abgasturbinen durch zusätzliche
Verbrennung von Brennstoff zu. regeln.. Bei den, bekannten Vorrichtungen bilden,
aber die Brennk.raftmaschine und die Turbine, zusammen ein einheitliches Maschinenaggregat,
bei, .dem .die Brennkraftmasch.ine ausschl,ießlIch :als Verdichter bzw. als. Gasspender
dient und sonst keine äußere, Arbeit abgibt. Demgegenüber bezieht sich die Erfindung
auf solche Brennkraftmaschinen, die äußere Arbeit., z. B. in Form von mechanischer
Energie leisten. Auch ist es
bekannt, dem Abgas von Brennkräftmäschinen
auf .dem Wege zu einer Abgasturbine Luft zuzuführen,, um den, im Abgas vorhandenen
umverbrannten Kraftstoff noch zu verbrennen.
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Die Erfindung kann beispielsweise bei Auflade-,gebläsen für Fliugmotoren
vorteilhafte; Anwendung. finden. Die zum ,Antrieb .dieser Gebläse verwendeten Abgasturbinen
erfordern theoretisch zur Aufrechterhaltung einer konstanten Aufladung einen mit
der Flughöhe veränderlichen Düsenquerschnitt, dessen Verlauf in der Abb, i der Zeichnung
beispielsweise schematisch durch die Kurve, ca für einen konstanten Aufladedruck
in Abhängigkeit von -der Flughöhe angedeutet isst. Auß-erdeni wird der no-t wendige
Querschnitt in fast. allen Fällen um, so kl;einer,. je häher die, Überladung
ist. Will man nun eine konstruktiv .schwierig ,durchführbare Quersthni.ttsregelung
vermeiden, so ergibt sich die Notwendigkeit, die Düsen für den. kleinsten, während
des Betriebes notwendigen Querschnitt zu, bemessen. Diese Regelung hat den. Nachteil,
daß in. allen Höhen, weilchen, .an sich ein größerer als dieser konstante Mindestdüsenquerschnitt
entspräche, vor ,der Turbine Gas abgeblasen werden muß, Das, bedingt jedoch wieder
einen Energieverlust, weshalb die Abgase zum Ausgleich höher aufgestaut werden müssen,
als es bei der richtigen Düsenibemess:ung notwendig wäre.
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Dieser Umstand. wird noch dadurch verstärkt, d:aß zuT.Erzielung der
Startleistung, .die eine besonders. hohe Überladung erfordert, meist ein. noch kleinerer
Querschnitt (z., B. f1 in Abb.. z) nötig ist, da. hier das Gas, besonders.
hoch .aufgestaut werden muß.
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Zur Beseitigung dieser Übelstände wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen,
den Querschnitt der Düsen größer zu bemessen, äls es dein kleinsten vorkommenden
Wert -entspricht, und: für die Betriebszustände, .die einen, kleineren. Querschnitt.
er@ fordern,. zusätzlich ,Gas- .aus. einer Hilf s!brennkämmer zuzuführen. Wählt
man in. diesem Sinne beispielsweise einen Düsenquerschnitt B (Abt. r), welcher ungefähr
leim Durchschnitt Üer für großere Höhen notwendigen Querschnitte, entspricht, dann
b.r.au:cht man in den. größeren Höhen kein, Gas .mehr abzublasen (außer eventuell
bei Teillasten) und bekommt einen niedrigeren Gegendruck .des Motors in .allen Höhen,
Uras, bei Überschneidung der Ventii;leröfPnunigen (also. bei .Spülung des Toträumes)
,einen besonders großen Einfluß. auf die, Motorleistung ausüben kann.
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In den Fällen .also., wo. der Querschnitt kleiner sein müßte, als
es, dem ausgeführten Wert entspricht, wird Gas aus der erwähnten Hilfsbrennkammer
zugeführt, wodurch die arbeitende Gasmenge vergrößert und .der ve;rg#rÖißerte Querschnitb
voll, .a.usgefüllt w:Ird. Gleichzeitig kann hier:-bei noch .die Temperatur erhah,t
werden, was, die Energiebilanz der Turbine noch günstiger gestaltet. Auf -diese
Weise, kann auch eine stärkere tiberladung und z. B. eine ,außerordentlirih holte
Startleistsu:ng sowie eine Senkung des Motorgegen@ druakes? erzielt werden. Auch
die hierdurch erzielbare Verbesserung der Beschleunigunsgsfähigkei.t dies Aggregats
ist von: großer Wichtigkeit. Einer .der Nachteile .der Abgasturbinen besteht darin,,
d.aß bei einer Laststeigerung, wenn bei Teid,l.asten die Drehzahlen des Turboladeraggregates
abgesunken sind, erst eine erhebliche Drehbeschleunigung der Läufer "erfolgen muiß.
Die hierfür notwendige Zeit kann erheblich gesenkt werden, wenn -im Augenblick der
Lasterhöhung .das Drehmoment durch Zuscbaltung .der HiEsverbrennung erhöht wird,
zumal beii kleinen Teillasten,die Gastemperaturen vor der Turbine und damit die
Gasenergie sehr gering ist. Ein Bedürfnis nach einer derartigen Unterstützung der
.Turbinenleistung kann insbesondere auch bei Dieselmotoren auftreten.
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Es ist zwar .bereits, bekannt, Abgastu,rbogebliäse beim Start vorübergehend
über eine Hilfsbrennkaimmer anzutreten,; . diese Maßnahme *hat jedoch mit leim Gegenstand,
der vorliegenden Erfindung nichts zu tun, da die Verwendung der Hilfs;brennk.ammer
Kupplung bei der .der Turbinenwelle. bekannten mit Ausführung der Kurbelwelle Kurbelwelle
einen zusätzlichen Fremdantrieb der Kurbelwelle des Motors, beim Start ,bezweckt
und weder mit dem Ladevorgang noch .mit einer bestimmten Düsenquerschnittssbemessung
oder mit .dem
[email protected] oder mechanischen Verhaltender Turbine zusemmenhängt.
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Selbstverständlich kann die erfindungsgemäß angestrebte Leistungserhöhung
.der Turbine und somit des Gebläses auch .dann: erfolgen, wenn in großen Höhen vorübergehend
eine besonders hohe Leistung von der Maschine verlangt wird, wie dies, z. B. ;bei
Jagdfliegern der Fall sein kann. Der damit verbundene. höhere Brennstoffverbrauch
ist in solchen kurzzeitigen Betrüiebs.fäl;len in Kauf zu, nehmen.
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Die Zuführung des. Zusatzgases aus der Hi.lfsbrennkammer 'kann nun.
vor den Abgasdüsen er-
folgen oder es kann ein: getrenntes Turbinenrad oder,
bei Tei;l@b,eaufschl.agung des Rades .durch Abgasa ein gesondertes Düsensegment
mit dem Zusatzgas beaufs-ch1,agt werden, woifür bei Kühl.luftbeaufschlagun,g ein
Teil, .des. Kühlluftbogens herangezogen werden kann.
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Man kann nun natürlich die Que.rschni,tts:vergrößer=g auch weiter
treiben und etwa zu, einem Wert C :(A.bb.. z) ,gelangen. In diesem Fall wird die
Abgasaufstauung vor der Turbine, also dier Gegendruck hinter dem Motor weiterhin
herab-;gese -tzt und die Motorleistung gesteigert, allerdings auch eine größere
Menge Zusatzgas auf Kosten des B,r-enn@stoffve:rbrauch-e;s zug eführt.
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Mit .dieser .Maßna;hme ist,,. wenn Fris-ehsgas und Abgas vor -den
Düsen gemischt werden, .der Nachteil verbunden,, daß :der Abfall des, Drucks vor
der Turbine unter .den der, Ladeluft, welche ja die Verbrennungsluft für die Hilfsbrennkammer
liefern muß, immer mehr zunimmt, so daß diese in die Kammer hineingedirosselt werden
muß, wenn nicht das Gas hinteir der Kammer heruntergedrosselb werden soll.
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Der Ü:berschwß des Ladeluftdrucks gegenüber dem Abgasdruck kann jedoch
auch .dazu. benutzt
werden, um eine Brennstofförderung für die Zusatzverbriennungg,
die durch die einströmende Zus.atzluft erfo:;gen kann, zu verbessern, was in bekannter
Weise durch ejektorartiges Mitreißen des Brennstoffes durch d:Ie Luft durchgeführt
und gleichzeitig zur Regelung des Brennstoffgemisches und seiner-Temperatur benutzt
werdenkan:n.
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Dieser Drosselverlust kann vermieden werden, wenn die Verbrennu;n,gsluft
für die: Kammer bei Verwendung eines mehrstufiagen Ladegebläses in bekannter Weise
einer Zwischenstufe .dieses Gebläses entnommen wird, welche unmittelbar oder angenähert
den entsprechenden Druck liefert.
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Wenn nun zwischen dem, Ladedruck und .denn notwendigen Staudruck vor
der Turbine ein sehr starker Unterschied. besteht, könnte das von. der Hilfsbrennkammer
gelieferte Zusatzgas dem Turbinenrad, wie schon angedeutet, über eigene Düsen zugeführt
werden. Allerdings sinkt dann, die Schnellaufzahl u für dieses Gas ab, was ungünstig
ist. Hierbei ist zt die Umfangsgeschwindigkeit des Rades und c die Gasgeschwindigkeit.
Überdies wäre eine solche Anordnung komplizierter.
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Die Zeichnung zeigt in der bereits erwähnten Abb. i den durchschnittlichentheoretischen
Verlauf der Düsenquerschnitte einer Abgasturbine für Aufladegebläse bei konstanter
Aufladung; Abb. 2 zeigt schematisch ein Beispiel der Anordnung von :Motor, Turbogebläse
und Hilfsbrennkammer gemäß der Erfindung; Abb.3 veranschaulicht ein Beispiel einer
Ausführungsform der Hilfsbrennkammer; Abb. 4 schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel
für die Anwendung des Erfindungsgegenstandes in Verbindung mit Rückstoßdüsen.
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Wie ersichtlich führt die Druckleitung 2 des Gebläses i über den Zweig
3 zu den Motorzylindern 4 und über den Zweig 5 zu der Hilfsbrennkammer 6. Vom Motor
4 führt die Abgasleitung 7 zur Abgasturbine B. Von der Abgasleitung 7 zweigt eine
Abblasleitung 9 mit Abblasventil ab. Vor diesem Ventil mündet in die Leitung 7 eine
Zusatzgasleitung io, welche die in der Hilfsbrennkammer 6 erzeugten Verbrennungsgase
zu der Turbine 8 leitet. Vor der Hilfsbrennkammer 6 ist in dem Leitungszweig 5 ein
Drosselorgan i i vorgesehen.
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Soll nun während des Fluges in beliebiger Höhe eine Leistungssteigerung
erfolgen, dann schließt man das Ahblasventil und öffnet die Leitung 5, worauf die
Hilfsbrennkammer mit Brennstoff und Luft versorgt wird. Die erzeugten Verbrennungsgase
werden dann der Turbine in der eingangs erwähnten Weise zugeführt. Es wird unter
Umständen notwendig sein, zwischen Hilfsbrennkammer und Turbine oder Gebläse und
Hilfsbrennkammer ein Absperrorgan nach Art einer an sich bekannten Rückstrombremse
anzubringen, welches verhindert, daß bei den Druckstößen des Abgases vorübergehend
Abgas durch die Hilfsbrennkammer in das Gebläse hineingeschleudert wird.
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Vorteilhaft kann die Hilfsbrennkammer auch derart als Teil der Leitung
ausgebildet werden, daß der Zusatzbrennstoff und die entsprechende Verbrennungsluft
unmittelbar in einen gegebenenfalls etwa erweiterten Teil der Abgasleitung eingeführt
werden. Dabei kann entweder neue Luft zur Verbrennung zugeführt oder aber vorhandene
Luftüberschußmengen zur Verbrennung benutzt werden. Bei Brennstoffüberschuß im Abgas
genügt gegebenenfalls allein die Zuführung von Zusatzluft. In beiden Fällen kann
ein Teil der Leitung, z. B. eine besondere Längswand, die den Brennkammerraum von
,der restlichen Leitung trennt, oder eingebaute Wirbelkörper zur Einleitung der
Zündung durch Abgas beheizt werden. Eine solche Hilfsbrennkammerausbildung ist in
Abb. 3 veranschaulicht. In der Abgasleitung ist die Erweiterung 12 angeordnet, welche
durch eine Längswand 13 in zwei Teile 14 und 15 geteilt ist. Durch den Teil
15 strömen die heißen Abgase in der Richtung der Pfeile 16 und erhitzen dabei die
Längswand 13.
lDer andere Teil 14 ist mit einem Brennstoffeinlaß 17 und einem
Lufteinlaß 18 versehen, wobei diese Einlässe derart angeordnet sind, daß der Brennstoff
gegen die heiße Längswand 13 geblasen und hier zur Entzündung gebracht wird.
Die Verbrennungsgase strömen dann mit den vorbeiströmenden Abgasen zur Turbine.
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In solchen Fällen, wo man das Abgas, welches vor der Turbine zu Regelungszwecken
abgeblasen wird, in bekannter Weise noch durch eine Rückstoßdüse Vortrieb erzeugen
läßt, kann im Rahmen der Erfindung eine vorteilhafte weitere Steigerung der Gesamtvortriebsleitung
erzielt werden, indem man das Abblasventil bei Betrieb mit der Hilfsbrennkammer
nicht abschließt, sondern den Antrieb des Laders durch das Gas aus der H.ilfsbrennkammer
unterstützt und gleichzeitig mittels eines Teiles des Abgases durch die Rückstoßdüsen
einen zusätzlichen Antrieb des Flugzeuges bewirkt. Ja man kann sogar so weit gehen,
daß man das gesamte Abgas durch regelbare oder nicht regelbare Rückstoßdüsen austreten
läßt und den Laderantrieb ganz dem Gas aus der HilfSbrennkammer überträgt. Um diese
letzte Schaltung oder Zwischenstellungen während des Betriebes zu erreichen, kann
man etwa .nach Ab'b. 4 von der Abgasleitung 7 zwischen .Motor und Turbine die Abblasleitung
9 zu der Rückstoßdüse 13 abzweigen und hinter der Abzweigstelle die Abgasleitung
mit der Brennkammergasleitung io zusammenführen, wobei vor diesem Zusammenführungspunkt
ein Absperrorgan 14 vorgesehen werden kann. Auch in der Abblasleitung 9 kann ein
Regelorgan 15 vorgesehen sein. Hierbei ist es zweckmäßig, die Regelung der
Brennkammer mit der jeweils gewählten Turbinenregelvorrichtung, z. B. Gasabblasventil,
Abblasventil für die Ladeluft oder Ladeluft- oder Gasdrossel zu kuppeln. Im vorliegenden
Fall würden beispielsweise (wie in Abb. 4 angedeutet) die drei Organe 1i, 14, 15
zum Regeln des Luftzutritts zur Brennkammer, der abgeblasenen Abgasmenge und der
zum Antrieb der Turbine benutzten Abgasmenge sämtlich oder teilweise gekuppelt und
den Betriebsbedürfnissen entsprechend gemeinsam ge-
,regelt; beispielsweise'
derart, 'daß beim Öffnen der Abblasdüsen 13 der Kammerzutritt geöffnet und der Übertritt
des Abgases in die Turbine abgeschlossen wird, und umgekehrt.