DE2300534A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung mechanischer energie in wesentlich voneinander verschiedenen leistungsbereichen - Google Patents

Description

72-E ll-/_f2 : :** * : - ' 23 -Cremen, den 3. Januar 1973

72-E 11-57 ".'·'.' Mcinecke/we

ERNO Raumfahrttechnik Gesellschaft raiLt beschränkter Haftung

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie in wesentlich voneinander verschiedenen Leislungsbercichen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren 'zur Erzeugung mechanischer Energie in wesentlich voneinander verschiedenen Leistungsbereichen unter Verwendung flüssiger Monergole, die in einem Gasgenerator zersetzt und deren Zersetzungsprodukte als Treibmittel für eine Wärmekraftmaschine verwendet werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, zur Erzeugung von mechanischer Energie sogenannte Monergole, d.h. Treibstoffe zu verwenden, die zur Reaktion keinen Verbrennungsvorgang benötigen. Diese Treibstoffe, die unter normalem Druck und normaler Temperatur als Flüssigkeiten vorliegen - hierzu gehören beispielsweise Hydrazin und Wasserstoffperoxyd werden Katalytisch oder thermisch zersetzt. Bei dienern Zersetzungsvorgang, der exotherm abläuft, entstehen hochgespannte heiße Gase, die als Treibmittel für eine liäriuekraf trcaschine, beispielsweise eine Turbine verwendet werden können.

Da., wie erwähnt, bei der Zersetzung hochgespannte Gase entstehen, muß der Treibstoff der Zersetzungsanlage (in Folgend«!! Ga κ gen era-

709843/0005

tor genannt) ebenfalls unter hohem Druck zugeführt werden. Soll der Treibstoff jedoch in einem drucklosen Behälter gespeichert werden, dann ist zwischen dem Treibstoffbehälter und dem Gasgenerator eine Treibstoffpumpe einzuschalten, die in der Regel von dor durch die Zeruetzungsgase angetriebenen Wärmekraftmaschine angetrieben wird. Die Differenz zwischen der in der Wärmekraftmaschine erzeugten und der von der Treibstoffpumpe verbrauchten mechanischen Energie steht als positiver Energieüberschuß zur Verfügung, der als Nutzenergie über die Welle der Wärmekraftmaschine abgenommen werden kann. In der Figur 1 ist das Schaltschema einer derartigen Anlage dargestellt.

Wie aus der Figur 1 zu ersehen ist, ist die erzeugte mechanische Nutzenergie nur unmittelbar von der Welle der Wärmekraftmaschine abzunehmen. Soll je-doch ein Teil dieser Nutzenergie an einem örtlich von der Anlage getrennten Punkt·verwendet werden, so sind hierzu zusätzliche Aggregate an der Energieerzeugungsanlage erforderlich. Beispielsweise kann ein elektrischer Generator an die Wärmekraftmaschine angeschlossen werden, der über elektrische Leitungen mit einem Elektromotor verbunden ist. In vielen Anwendungsfällen sind jedoch die durch diese zusätzlichen Aggregate erhöhten Gewichte unerwünscht.

Es sind ferner Anvrcndungsfalle möglien, bei denen zumindest zeitweise nur ein geringer Teil der von dem Gasgenerator und der an~ geschlossenen Wünaekraftmasehine erzeugbaren Leistung ex-forderlich sind» In einem solchen Fall kann unter Umständen ein unerwünscht hol · r Treibstoffverbrauch die Folge sein.

Auf gob« i5 :-x' Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem sowohl die von lir.r An 1ε.ge erzeugte Leistung an räumlich getrennten Stellen r.lcv auch Leistung in fcrl.i-bl.ich voneinander verschiedenen Leistuii{?,sb<. i-fiic'ic-n zur Verfügun.··, gestellt werden kann.

Erfindung:·;-.eau»β ist dies dr>duroh zu crrcdchen, daß die flüssigen

t09843/000

Monergole vor der Einleitung in den Gasgenerator in an sich bekannter Weise unter hohen Druck gesetzt werden und daß mindestens ein Teilstrom der Flüssigkeit als hydraulisches Betriebsmittel wenigstens einem Hydraulikmotor und nach der Erzeugung mechanischer Energie in dem Hydraulikmotor dem Vorratsbehälter für die flüssigen Monergole und/oder dem Gasgenerator zugeführt wird. Dabei ist es zweckmäßig, einen drucklosen Vorratsbehälter zu verwenden und die flüssigen Monergole mittels einer von der Wärmekraftmaschine angetriebenen Treibstoffpumpe unter den erforderlichen hohen Druck zu setzen. Der Vorratsbehälter kann dabei mit einer elastischen Zwischenwand ausgerüstet sein und eine Öffnung aufweisen, die den Außenraum mit dem von der Zwischenwand abgesperrten Innenraum verbindet. Die Wärmekraftmaschine sollte abkuppelbar mit einer Vorrichtung zur Leistung mechanischer Arbeit verbunden sein. Es ist vorteilhaft, in den der Treibstoffpumpe nachgeschalteten Hydraulik— leitungen umschaltbare i.lehrwegeventile anzuordnen.

Eine Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich besonders vorteilhaft als Energieerzeugungsanlage in ein Unterwasserfahrzeug, beispielsweise ein Torpedo einbauen. Dabei können sowohl die Wärmekraftmaschine als auch der Hydraulikmotor zum Antrieb von Propellern vorgesehen sein. Vorzugsweise sind die Propeller zur Erzeugung des Schubs in mehreren Fahrstufen mit voneinander erheblich unterschiedlichem Leistungsbedarf vorgesehen. Dabei können die Propeller den den verschiedenen Fahrstufen zugeordneten Geschwindigkeiten optimal angepaßt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der von dem Hydraulikmotor angetriebene Propeller als Steuerpropeller vorgesehen. Es kann zweckmäßig sein, den Hauptpropeller mit einer abwerfbaren Verkleidung zu versehen und auch den von deia Hydraulikmotor angetriebenen Propeller zur Verringerung des FahrWiderstandes in der höheren Fahrstufe abtrennbar zu gestalten. Der Widerstand kann noch weiter verringert werden, wenn der Vorratsbehälter in zwei Einzelbehälter unterteilt wird, von denen einer beiu tibergang in die höhere Fahrstufe zusammen mit dem zu-

letztgenannten Propeller vom Fahrzeug abgetrennt wird.

In den beigefügten Zeichnungen sind ein Schaltschema für eine Anlage der bisher bekannten Art sowie mehrere Beispiele zur Ausübung des erfindurißsgemäßen Verfahrens dargestellt. Und zwar zeigen:

Figur 1 das Schaltschema einer bekannten Anlage,

Figur 2 ein Schaltschema für eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Figur 3 eine verbesserte Ausführungsform dieser Vorrichtung und

Figur 4 dp.s Schaltschema für eine in ein Torpedo einzubauende Vorrichtung sowie - teilweise im Schnitt - ein Torpedo mit dieser Vorrichtung.

In der Figur 1 ist ein druckloser Treibstoffbehälter 11 mit einer von der Turbine 14 angetriebenen Treibstoffpumpe 12 verbunden, die den Treibstoff unter hohem Druck dem Gasgenerator 13 zuführt. Die von dem Gasgenerator 13 erzeugten hochgespannten heißen Gase dienen dem Antrieb der Turbine 14, von deren Welle 15 die mechanische Nutzenergie abgenommen werden kann.

In der Figur 2 ist der (drucklose) Treibstoffbehälter 21 ebenfalle mi t der Treibstoffpumpe 22 verbunden, die von der Turbine 24 angetrieben jsfc. Die Treibstoffpumpe 22 führt den nunmehr unter hohem Di¹UCk stehenden Treibstoff dem Hydraulikmotor 26 zu, von dessen TJeIIe 27 mechanische Energie abgenommen werden kann. Von den Hydraulikmotor 26 fließt der Treibstoff unter entsprechend geringeren Druck zu dem Gasgenerator 23, in dem in bekannter Weise die hochgespannten heißen Gase zum Antrieb der Turbine 24 erzeugt werden, von deren Welle 25 die Nutzenergie abnehmbar dst.

Di' Vorrichtung nach der Figur 3 unterscheidet sich gegenüber der

709843/0005

Vorrichtung nach Figur 2 dadurch, daß durch die Einschaltung von zwei Ventilen 38 und 39 eine leichte Regelbarkeit hinsichtlich der Leistungsverteilung zu erzielen ist und darüberhinaus zumindest ein Teil des den Hydraulikmotor 36 durchströmenden Treibstoffs wieder dem Treibstoff behälter 31 zugeführt werden kann. Die Welle. 35 der Turbine 34 ist mittels einer Kupplung 40 von dem (nicht dargestellten) Verbraucher abkuppelbar.

Bei dieser Vorrichtung nach Figur 3 kann der gesamte von der Treibstoffpumpe 32 geförderte Treibstoff zunächst dem Hydraulikmotor und dann über die Ventile 33, 39 dem Gasgenerator 33 zugeführt werden. In diesem Fall ist das Ventil 38 so geschaltet, daß es von a nach c durchströmt wird. Das Ventil 39 wird von C nach B durchströmt. Werden die Ventile 38 und 39 so geschaltet, daß das Ventil 3Ö von a nach b und das Ventil 39 von A nach B durchströmt werden, dann fließt nur ein Teilstrom durch den Hydraulikmotor 36, der anschließend dem Treibstoffbehälter 31 wieder zugeführt wird. Das Ventil 39 wird dann ebenfalls von einem Teilstrom durchflossen, der so bemessen ist, daß der Gasgenerator 33 eine Gasmenge erzeugt, die zum Antrieb der Treibstoffpumpe 32 durch die Turbine 34 ausreicht. In diesem Fall ist die mechanische Energie ausschließlich von der Welle 37 des Eydraulikraotors 36 abnehmbar.

In der Figur 4 ist schematisch die Antriebsanlage für den in der Pigur 4a dargestellten Torpedo beschrieben. In beiden Figuren sind ' daher die gleichen Bezugszeichen verwendet worden. Der Treibstoffbehälter 41 ist mit der Treibstoffpurape 42 verbunden, die von der Hauptwelle 45 der Turbine 44 angetrieben wird. Von der Treibstoffpumpe 42 führt eine Hydraulikleitung zum Hydraulikmotor 46| mit dessen Welle 47 ein Propeller 53 verbunden ist. Vom Hydraulikmotor 46 führt eine Hydraulikleitung über ein Mehrwegventil 48 zurück zum Treibetoffbehälter 41· Das Ventil 48 ist außerdem mit einem Mehrwegeventil 49 verbunden, über das eine direkte Verbindung der TreibstoffpuBipe 42 mit dem Gasgenerator 43 geschaltet werden, kann, über ein Getriebe 53 und eine Kupplung 50 ist die Hauptwelle 45 mit dem Haupt-

109843/0005

antriebspropeller 5- Rekoppelt. Ein Startgasbehälter 54 ist über das Ventil 55 mit der Turbine 44 verbunden. In den Treibstoffbehalter 41 ist eine elastische Zwischenwand 57 eingebaut, die den Treibstoff von dem oberen mit einer Öffnung 56 versehenen Teil des Treibstoffbchalters 41 abtrennt.

Der Hydraulikmotor 46 ist zusammen mit dem Propeller 53 in das Seitenruder eines Torpedos eingebaut, das schwenkbar an der Seitenflosse 59 gelagert ist. Das Höhenruder 60 ist an der Höhenflosse 6l befestigt. In der Spitze des Torpedos ist die Nutzlast 62 untergebracht.

Die Wirkungsweise dieser Anlage ist folgende. Zum Anlassen der Anlage wird kurzzeitig das Ventil 55 geöffnet und damit das unter Druck stehende Gas vom Startgasbehälter 54 zur Turbine 44 geleitet. Die von der Turbine 44 angetriebene Treibstoff pumpe 42 fördert dann den Treibstoff zum Hydraulikmotor 46, der den Propeller 53 antreibt. Ein Teil des Treibstoffs wird gleichzeitig über das Ventil 49 zum Gasgenerator 43 gefördert, in dem der Treibstoff zersetzt wird und. die zum weiteren Antrieb der Turbine 44 erforderlichen hochgespannten heißen Treibgase erzeugt. Kenn in diesem Stadium die Kupplung 50 gelöst wird, erfolgt der Antrieb des Torpedos lediglich durch den Propeller 53· Dabei kann der den Hydraulikmotor 46 durchströmende Treibstoff über das Ventil 48 unmittelbar dem Treibstoffbehälter 41 zugeführt werden. Der das Ventil 49 passierende Teilstrom zum Gasgenerator 43 wird dabei so bemessen, daß das erzeugte Gas lediglich zum Betrieb der Treibstoffpumpe 42 ausreicht. Soll der Antrieb auf den Hauptantiiebspropeller 52 umgeschaltet werden, dann wird die Verbindung 2.:i.sehen dem Propeller 52 und der Turbine 44 über die Kupplung 50 und das Getriebe 51 hergestellt. Gleichzeitig wird das Ventil 48 n^a£Gh].^oss€m, so daß der gesamte von der Treibstoff pumpe 42 geförderte Treibstoff in den Gasgenerator 43 gelangt. Da dei- Propeller 53 infolge des Einbaues in das Seitenruder 58 auch als aktives Seenerruder wirkt, ist es durch entsprechende Einstellung der

- 7 $09843/0005

Ventile 48 und 49. aber auch möglich, beide Propeller gleichzeitig anzutreiben.

Der Propeller 53 kann in diesem Fall optimal der Geschwindigkeit angepaßt werden, die der Torpedo beim Antrieb durch den Hydraulikmotor allein erreichen kann, beispielsweise eine Geschwindigkeit von 20 Knoten. Mit dem Hauptantrieb kann der Torpedo jedoch eine Geschwindigkeit erreichen, die etwa um den Faktor 3 bis 4 höhEr ist. Infolgedessen ist der Ilauptantriebspropeller 52 dieser Geschwindigkeit angepaßt. Der für die vorgenannten Geschwindigkeiten erforderliche Leistungsbedarf unterscheidet sich dabei jedoch um den Faktor /jO bis 5O· liine Regelbarkeit eines Antriebs in einem derart weiten Bereich ist mit den konventionellen Methoden nur unter außerordentlich großem Aufwand zu erreichen, wenn der Treibstoff optimal ausgenutzt werden soll. Hierin ist also ein erheblicher technischer Fortschritt zu sehen.

Natürlich läßt sich eine solche Anlage .auch mit Vorteil anwenden, wenn nur ein entsprechend ausgelegter Propeller, beispielsweise ein Verstellpropeller, benutzt werden soll. Das gilt auch bei der Verwendung von zwei gleichartigen Propellern, wie sie zum Ausgleich von auftretenden Drehmomenten bekannt sind.

-Patentansprüche-

?09843/OO0S

Claims (13)

1. Patentansn r__ii c he

   Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie in wesentlich voneinander verschiedenen Leistungsbereichen unter Verwendung flüssiger Monergole, die in einem Gasgenerator zersetzt und deren Zersetzungsprodukte als Treibmittel für eine Wärmekraftmaschine verwendet werden, dadurch g e k e η η zei chnet, daß die flüssigen Monergole vor der Einleitung in den Gasgenerator (13, 23, 33» 43) in an sich bekannter Weise unter hohen Druck gesetzt werden und daß mindestens ein Teilstrora der Flüssigkeit als hj'draulisches Betriebsmittel einem Hydraulikmotor (26, 36» 46) und, nach der Erzeugung mechanischer Enerf,'.e in dem Hydraulikmotor, dem Vorratsbehälter (21, 31, 41) für die flüssigen Monergole und/oder dem Gasgenerator zugeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich—

   η e t, daß ein druckloser Vorratsbehälter (21, 31» 41) vorgesehen ist und daß die flüssigen Monergole mittels einer von der Wärnekraftmaschine (24, 34» 44) angetriebene Treibstoffpumpe (22, 32, 42) unter hohen Druck gesetzt werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter mit einer elastischen Zwischenwand (62) ausgestattet ist und eine Öffnung (56) besitzt, die den Außenraum mit dem von der Zwischenwand (62) abgesperrten Innenraum verbindet»
4. 4· Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Uärmekraftmaschine (24, 34» 44) abkuppelbar πit einer Vorrichtung zur Leistung mechanischer Arbeit, beispielstfei.ee cdnem Propeller (52) _} verbun den ist.

   709843/0005

   ~~~ INSPECTED
5. 5·> Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-4» dadurch gekennzeichne tj daß die Wärraekraftraaschine (24, 34» 44) und der (die) Hydraulikmotor(e) (26, 36, 46) räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.
6. 6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche l~5j dadurch gekennzeichnet, daß in den der Treibstoffpumpe (22, 32, 42) nachgeschalteten Ilydraulikleitungen umschaltbare Mehrwegeventile (38, 39» 48j 49) angeordnet sind.
7. 7· Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzei chnet, daß sie als Energieerzeugungsanlage in ein Unterwasserfahrzeug eingebaut ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzei chnet, daß sowohl die Wärmekraftmaschine (44) als auch der (die) Hydraulikmotor(e) (46) zum Antrieb von Propellern (52, 53) vorgesehen sind.
9. 9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzei chnet, daß sie als Energieerzeugungsanlage in ein Torpedo eingebaut ist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Propeller (52, 53) zur Erzeugung des Schubs in mehreren Fahrstufen mit voneinander erheblich unterschiedlichem Leistungsbedarf vorgesehen sind»
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzei chnet, daß die Propeller (52, 53) den den verschiedenen Fahrstufen zugeordneten Geschwindigkeiten optimal angepaßt sind.

    909843/0005

    - 10 -
12. 12'. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7—ü» dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der von dem Hydraulikmotor (46) ;n..~etri ebene Pi-opeller (53) als Steuerpropeller angeordnet ist.
13. 13. Vor- ichlung nach mindestens einem der Ansprüche 7-12, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Wärmekraftmaschine (44) angetriebene Propeller (52) mit einer abwerfbaren Verkleidung vorsehen ist.

    14» Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7~^3» dadurch gekenn zei chnet, daß der von dem Hydraulikmotor (46) angetriebene Propeller (53) abtrennbar ist.

    209843/0005