DE19818368C2 - Verfahren zum Betreiben eines Triebwerks und Triebwerk - Google Patents
Verfahren zum Betreiben eines Triebwerks und TriebwerkInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Triebwerks und ein
Triebwerk, umfassend einen Verdichter zum Ansaugen und Komprimieren von
Luft, der einen Rotor mit einer Welle aufweist und der mit einem Brennraum
zum Verbrennen der mit Kraftstoff vermischten und verdichteten Luft verbunden
ist, sowie einen an den Brennraum anschließenden Krafterzeuger zum Antreiben
des Rotors und zur Abgabe von Nutzarbeit, nach den Oberbegriffen des An
spruchs 1 bzw. 2.
Antriebsmotoren für Kraftfahrzeuge bestehen ganz überwiegend aus Hubkol
benmaschinen, die nach dem 4-Takt-Prinzip - äußerst selten nach dem 2-Takt-
Prinzip - arbeiten und als Otto- oder Dieselmotoren ausgebildet sind. Beim 4-
Takt-Motor wird im ersten Takt die Ladung eingebracht und im zweiten Takt
verdichtet. Kurz vor Ende des Verdichtungshubes setzt die Zündung ein, worauf
im dritten Takt die Ladung verbrennt, die Verbrennungsgase sich ausdehnen und
ihre Energie an den Kolben abgeben (Arbeitstakt). Im vierten Takt werden die
Abgase durch den Kolben nach außen gedrückt.
Der Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen mit Hubkolben, die für den Vor
trieb von Kraftfahrzeugen verwendet werden, ist trotz zahlreicher Anstrengun
gen, die bei der Motorenentwicklung durchgeführt wurden, immer noch unbe
friedigend, da ein großer Teil der zugeführten Energie als Abwärme nach außen
abgegeben wird und daher für die Antriebsleistung nicht zur Verfügung steht.
Ein anderer Teil der zugeführten Energie von bis zum 15% wird für den Antrieb
von Hilfsaggregaten benötigt, beispielsweise für das Getriebe, für den Stromge
nerator und dergleichen. Bei heutigen Hubkolben-Verbrennungsmotoren steht
nur ein Anteil von 30 bis 35% der zugeführten Energie für die Nutzleistung zur
Verfügung, während über 50% als Wärmeverlust in Kauf genommen werden
müssen.
Für den Antrieb von Flugzeugen, aber auch für Stromerzeuger und dergleichen,
werden Gasturbinen eingesetzt, deren allgemeine Bauart sich aus dem eingangs
erläuterten Triebwerk ergibt. Gegenüber Hubkolbenmotoren haben diese den
Vorteil einer rotierenden Bewegung und einer kontinuierlichen Verbrennung und
Strömung der Gase, die im Krafterzeuger den Rotor antreiben und Nutzarbeit zur
Verfügung stellen. Der Krafterzeuger besteht bei den bekannten Triebwerken im
allgemeinen aus einer mehrstufigen Turbine, in der sich die heißen Gase ent
spannen und dabei den Rotor des Verdichters antreiben; am Ende der Turbine
strömen die heißen Gase koaxial aus und erzeugen eine Schubkraft.
Als Stand der Technik sind Konstruktionen bekannt, bei welchen mehrere Diffu
soren sternförmig verteilt um eine Achse angeordnet sind (EP 0 300 979 A1; US-
PS 5,282,356). Darüber hinaus zählen Kraftmaschinen mit Rückstoßvorrichtun
gen und Luftverdichter zum Stand der Technik, deren Mantelgehäuse um die
Rückstoßvorrichtungen zur Rückgewinnung eines Teils der Abwärme versehen
ist (DE 44 41 730 A1). Bei einer weiteren bekannten Konstruktion handelt es
sich um eine Brennkraftmaschine, mit einem mittleren Kanal für Flüssigsauer
stoff und einem weiteren Kanal für Kraftstoff (DE 195 46 474 C1). Alle diese
bekannten Konstruktionen gehen von verschiedenen Aufgabenstellungen aus,
welche demzufolge zu unterschiedlichen Problemlösungen führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. ein Triebwerk der
eingangs umrissenen Bauart so auszubilden, dass es bei optimaler Energieaus
nutzung des zugeführten Kraftstoffes im Krafterzeuger ein Drehmoment erzeugt,
das an der Rotorwelle als Nutzarbeit zur Verfügung steht, beispielsweise für den
Antrieb von Kraftfahrzeugen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen im kennzeichnen
den Teil des Anspruchs 1 bzw. 2 gelöst.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer Energierückgewinnung durch Wärmeaus
nutzung, um nach dem Verdichten den Druck zu erhöhen.
Es ist besonders günstig, wenn der Brennraum im Diffusor inte
griert ist, was sich nicht nur auf eine einfache Konstruktion
auswirkt, sondern auch die Verbrennung an den spätest möglichen
Punkt im Triebwerk verlegt, an dem eine Durchmischung der ver
dichteten Luft mit dem zugeführten Kraftstoff erfolgt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung hat die Welle einen in
ihrer Achsmitte liegenden Längskanal für die Zuführung der
verdichteten Luft, der in einen radial ausgerichteten Kanal
abschnitt übergeht, welcher in den Brennraum mündet. Dabei ist
es günstig, wenn der Krafterzeuger in einem koaxial zu der Welle
ausgebildeten Gehäuse untergebracht ist, dessen Wandung
gleichmäßig verteilte Luftkanäle zur Weiterleitung der kom
primierten Luft vom Verdichter in den Längskanal der Welle
aufweist.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Längskanal mit den
Luftkanälen über Wärmetauscherrohre verbunden, welche in einem
Abgassammelgehäuse angeordnet sind, dessen Eingang mit dem Ge
häuse des Krafterzeugers verbunden ist und dessen Ausgang zu
einem Auspuff führt.
Mit diesen Maßnahmen wird zunächst erreicht, daß das Gehäuse des
Krafterzeugers von der noch kalten Luft gekühlt wird, die an
schließend durch die heißen Abgase im Abgassammelgehäuse durch
die Wärmetauscherohre allmählich erhitzt werden, bevor sie in
den Brennraum strömen. Auf diese Weise wird die Abwärme der
heißen Verbrennungsgase weitestgehend ausgenutzt, um den
Energieinhalt der in den Brennraum strömenden, komprimierten
Luft zu erhöhen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Patentansprüchen und aus der folgenden Beschreibung eines Aus
führungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es
zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Triebwerk gemäß der
Erfindung,
Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt durch den
Verdichter in der Ebene II-II der Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt durch die Luftkanäle des Gehäuses des
Krafterzeugers in der Ebene III-III der Fig. 1,
Fig. 4 einen Querschnitt durch den Krafterzeuger in der Ebene
IV-IV der Fig. 1,
Fig. 5 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch einen
Diffusor in der Ebene V-V der Fig. 4,
Fig. 6 in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt durch den
doppelten Schneckentrieb in der Eben VI-VI der Fig. 1,
Fig. 7 ein Energieflußdiagramm herkömmlicher Verbrennungs
motoren und
Fig. 8 ein Energieflußdiagramm des Triebwerks gemäß Erfindung.
Fig. 1 zeigt in einer Übersichtsdarstellung ein Triebwerk 10,
das beispielsweise für den Antrieb eines Kraftfahrzeuges dient.
Das nicht dargestellte Wechselgetriebe des Kraftfahrzeugs ist
mit dem Triebwerk 10 über ein Zahnrad 12 verbunden, welches auf
eine Welle 14 aufgezogen ist, die von dem Triebwerk 10 in
Drehung versetzt wird. Die Welle 14 ist in dem Triebwerk 10 über
drei Radiallager 16 gelagert.
Die für die Verbrennung im Triebwerk 10 benötigte Luft wird über
einen Ansaugkanal 18 von einem Verdichter 20 angesaugt, wobei in
den Ansaugkanal 18 ein Luftfilter 22 eingesetzt sein kann. Fig.
2 zeigt, daß der Verdichter 20 als Drehkolbenverdichter
ausgebildet sein kann, dessen Rotor 24 auf der Welle 14
befestigt und exzentrisch zu dem zylindrischen Verdichtergehäuse
26 angeordnet ist. Die Messerschaufeln 28 des Rotors 24 werden
bei dessen Drehung durch Fliehkraft gegen die Innenwand des
Verdichtergehäuses 26 gedrückt und fördern die Luft vom
Ansaugkanal 18 kontinuierlich in einen Druckkanal 30, wobei
durch die stetige Verkleinerung der durch die Messerschaufeln 28
begrenzten Teilräume eine Verdichtung der Luft erfolgt.
Der Druckkanal 30 mündet, wie die Fig. 3 zeigt, in einen
Ringraum 32, der in die Wandung 34 eines Gehäuses 36 eingear
beitet ist und von dem sternförmig Luftkanäle 38 ausgehen, die
in der gegenüberliegenden Wandung 34' des Gehäuses 36 zu axial
gerichteten, äußeren Luftkanälen 40 führen.
In dem Gehäuse 36 ist ein Krafterzeuger 42 untergebracht, dessen
Aufbau sich aus den Fig. 4 und 5 ergibt und nachstehend im
einzelnen erläutert wird. Der Krafterzeuger 42 besteht im Aus
führungsbeispiel aus zwei Diffusoren 44, deren Strömungsachse 46
tangential zum Rotor 24 ausgerichtet ist. Die beiden Diffusoren
44 sind auf einer rechtwinklig zur Strömungsachse 46
verlaufenden Führung 48 radial zur Achse des Rotors 24 ver
stellbar angeordnet (vgl Doppelpfeile in Fig. 4). Die Führungen
48 und damit auch die beiden Diffusoren 44 sind fest mit der
Welle 14 verbunden und drehen sich mit dieser. Um die beiden
Diffusoren 44 gleichzeitig radial verschieben zu können, ist
zwischen dem Verdichtergehäuse 26 und dem Gehäuse 36 des
Krafterzeugers 42 ein doppelter Schneckentrieb 50 angebracht,
der in Fig. 6 dargestellt ist. Dieser hat einen innen und außen
verzahnten Ring 52, dessen Außenverzahnung 54 mit den
Gewindegängen eines axial verstellbaren Betätigungsbolzens 56
kämmt, der vom Fahrer des Kraftfahrzeuges über das Gaspedal in
seiner Längsrichtung verschoben werden kann. Dabei verdreht er
den Ring 52, dessen Innenverzahnung mit zwei Gewindebolzen 58 in
Eingriff ist, welche in Fig. 4 zu erkennen sind. Diese
verdrehen bei ihrer Drehverstellung jeweils eine Gewindespindel
60, die in das entsprechende Diffusorgehäuse 62 eingreifen und
dieses radial zur Welle 14 verstellen. Dadurch wird der Hebelarm
a zwischen dem Diffusor 44 und der Welle 14 verstellt, wodurch
das vom Diffusor 44 erzeugte Drehmoment verändert wird.
Aus Fig. 1 geht weiter hervor, daß der Innenraum des Gehäuses
36 in den Innenraum eines Abgassammelgehäuses 64 übergeht, an
welches mittig ein Auspuff 66 angeschlossen ist. In dem Abgas
sammelgehäuse 64 sind parallel zur Achse der Welle 14 Wärme
tauscherrohre 68 schlangenförmig angeordnet, von denen die
radial äußeren Wärmetauscherrohre 68 mit den Luftkanälen 40 ver
bunden sind, während die radial inneren Wärmetauscherrohre 68 in
einen Längskanal 70 münden, der in die Achsmitte der Welle 14
eingearbeitet ist. Auf der gegenüberliegenden, dem Krafterzeuger
42 zugewandten Seite geht der Längskanal 70 in zwei radial aus
gerichtete Kanalabschnitte 72 über, von denen jeder zu einem
Brennraum 74 führt, der im zugeordneten Diffusorgehäuse 62 aus
gebildet ist (vgl. Fig. 5).
In den Brennraum 74 mündet auch ein Zuführkanal 76 für Kraft
stoff, der über einen achsmittigen Einlaßkanal 78 kontinuierlich
eingespritzt wird.
Über die Welle 14 wird auch die Zündung des Kraftstoff-
Luftgemisches in dem Brennraum 74 eingeleitet, wozu in der Welle
14 zwei Zündkabel 80 integriert sind, die mit einem Zündgitter
82 im Brennraum 74 verbunden sind.
Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, daß die vom
Verdichter 20 zugeführte und komprimierte Luft beim Durchlauf
durch die Wärmetauscherrohre 68 kontinuierlich erwärmt wird, da
diese von den Abgasen im Abgassammelgehäuse 64 umströmt werden.
Die in den Längskanal 70 der Welle 14 einströmende Luft ist
damit bereits sehr weit aufgeheizt und wird im Brennraum 74 mit
dem Kraftstoff vermischt und durch das Zündgitter 82 gezündet.
Die heißen Gase des entzündeten Gemisches strömen anschließend
über den jeweiligen Diffusor 44 in das Gehäuse 36, wo aufgrund
des im Diffusor 44 erhöhten Druckes eine Schubkraft erzeugt
wird, die in Abhängigkeit von dem Drehmoment, das von der
Radialstellung des Diffusors 44 abhängt, die Welle 14 in Drehung
versetzt und dabei das Antriebsmoment an das Zahnrad 12 abgibt.
Die Erfindung unterscheidet sich hauptsächlich von den bekannten
Triebwerken und Motoren duch die Energierückgewinnung aus den
Abgasen. Deshalb sind eigentlich sechs Takte/Zyklen vorgesehen,
nämlich:
- 1. Das Ansaugen von Luft;
- 2. Das Komprimieren dieser angesaugten Luft;
- 3. Das Erwärmen der angesaugten, komprimierten Luft und damit verbunden eine weitere Drucksteigerung. Dies geschieht durch einen Wärmetauscher aus den Abgasen (Energierückgewinnung);
- 4. Das Vermischen der erwärmten, komprimierten und druckge steigerten Luft mit Treibstoff, Zünden im Brennraum (kontinuierliche Verbrennung) ähnlich einem Raketenantrieb. Die Ringdüsen (Diffusoren) sind dabei variabel zum Zentrum angeordnet;
- 5. Das Entweichen der Gase aus dem Brennraum mit sehr hoher Ge schwindigkeit durch den Düsenhals, Entspannen in der Glocke (Diffusor), Auffangen der warmen Abgase und deren Zuführung zum Wärmetauscher (Energierückgewinnung);
- 6. Wärmeenergieabgabe der Abgase im Wärmetauscher und Austritt in die Abgasanlage (Auspuff).
Zum leichteren Verständnis sei eine Gegenüberstellung zu
herkömmlichen Motoren, wie sie in der Automobilindustrie üblich
sind, erlaubt.
Die Graphiken zeigen deutlich die gewünschte Wirkungsweise.
Ein weiterer Vorteil ist das variable Drehmoment aufgrund der
verstellbaren Ringdüsen (Diffusoren) zur Mittelachse:
kleine Drehzahl = relativ hohes Drehmoment
große Drehzahl = relativ kleines Drehmoment
kleine Drehzahl = relativ hohes Drehmoment
große Drehzahl = relativ kleines Drehmoment
Nahezu alle Motoren für Automobile und für Motorräder werden
heute als Otto-Verbrennungsmotoren nach dem Viertakt- oder
Zweitaktprinzip ausgeführt. Diese unterscheiden sich lediglich
in der Anzahl der Zylinder (1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 12 oder mehr),
in der Anordnung der Zylinder, z. B. in Reihe, V-Form, Boxer,
Stern usw.,
oder in der unterschiedlichen Ventilzahl, ob zwei oder vier Ven
tile je Zylinder.
Das Arbeitsprinzip all dieser Motoren ist im wesentlichen
gleich, nähmlich:
Ansaugen - Verdichten - Arbeiten - Ausstoßen.
Ansaugen - Verdichten - Arbeiten - Ausstoßen.
Leider läßt der Wirkungsgrad, also das Verhältnis von nutzbarer
Arbeitsenergie zu zugeführter Energie, sehr zu wünschen übrig.
Der Wirkungsgrad liegt durchschnittlich bei lediglich ca. 35%
(vgl. Fig. 7). Eine deutliche Verbrauchssenkung wurde in den
letzten Jahrzehnten nicht erzielt. In Fig. 7 ist deutlich zu
erkennen, daß das größte Potential, nämlich die Wärme, nicht in
Antriebsleistung umgesetzt wird.
Unter den vorgenannten Gesichtspunkten ergibt sich folgende
Überlegung:
Wie kann man die Wärme in einem Verbrennungsmotor zusätzlich
nutzen und in Antriebsenergie umsetzen, und zwar direkt im
System und nicht als Turbo, wo die Geschwindigkeit des
ausströmenden Gases zur Verdichtung genutzt wird?
Da der Anteil für Hilfsaggregate relativ gering ist und nur
unwesentlich verbessert werden kann, ist anzustreben,
Arbeitsenergie aus der abgegebenen Wärme zurückzugewinnen.
(Fig. 8).
Darüber hinaus ist die hin- und hergehende Bewegung des
Hubkolbenmotors ein gravierender Nachteil, da jedesmal die Masse
von der Geschwindigkeit Null im Totpunkt auf max. Beschleunigung
hochgetriebn wird, um anschließend im anderen Totpunkt wieder
auf Null abgebremst zu werden.
Zur Beschleunigung des Kolbens und auch zum Abbremsen ist
Energie erforderlich. Ferner ist der dadurch verursachte,
unruhige Lauf ebenfalls unerwünscht. Dieses Verhalten wird
derzeit durch Gegengewichte an der Kurbelwelle ausgeglichen.
Die Takte Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen (4-Takt-
Motor), also die Hin- und Herbewegungen, sind sicherlich besser
durch eine Drehbewegung und die Takte durch kontinuierliche
Verbrennung zu ersetzen.
Die zur Zeit bekanntesten Verbrennungsmotoren sind der Otto- und
der Dieselmotor im 4-Takt-Prinzip. Die größten Nachteile dieser
Motoren sind:
- a) Hoher Wärme-Energieverlust;
- b) Hin- und Herbewegung mit den damit verbundenen Verlusten sowie der unruhige Lauf;
- c) Geringes Drehmoment bei niedriger Drehzahl.
Diese Nachteile sollten soweit als möglich vermieden und die
Vorteile des Verbrennungsmotor, besonders seine mobile Ein
satzmöglichkeit, genutzt werden.
Ziel der Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor zu entwickeln
und zu konstruieren, der im Prinzip eine Drehbewegung ausführt,
eine Wärmerückgewinnung beinhaltet und bei geringer Drehzahl ein
hohes Drehmoment aufweist.
Zahlreiche Überlegungen und Grundkonstruktionen scheiterten
zunächst: Drehbewegung ja, aber wie? Ähnlich einer Turbine? Aber
so etwas gibt es ja schon. Und dann die Wärmerückgewinnung, wie
soll diese realisiert werden? Das Prinzip Ansaugen, Verdichten,
Arbeiten, Ausstoßen mußte in irgendeiner Form verändert werden.
- 1. Die Ansaugung als erster Schritt ist nicht zu ändern.
- 2. Anschließend muß die Luft komprimiert/verdichtet werden.
Aber nach dem Verdichten muß etwas Neues geschehen!! Die Überlegungen gehen dahin, die Wärme auszunützen, um den Druck zu erhöhen, und zwar nach dem Verdichten. Wenn man einen Behälter mit komprimierter (verdichteter) Luft füllt, dann verschließt und anschließend erwärmt, steigt der Luftdruck an! Auch muß das Verdichtungsverhältnis bei dieser Voraussetzung nicht so hoch wie sonst bei Otto-Motoren sein. Dadurch verringert sich die notwendige Verdichterleistungsenergie, die zugeführte Leistung. - 3. Neuer Takt:
Die komprimierte Luft ist zu erwärmen, die Rückströmung zu verhindern. Die Grundidee besteht nun darin, die Abwärme für diesen neuen Takt zu verwenden. - 4. Arbeitstakt/Arbeitsvorgang
- 5. Ausstossen
- 6. Neuer Takt:
Die ausgestoßenen Abgase mit hoher Abwärmekapazität auszunützen, um die komprimierte Luft (neuer Takt 3) zu erwärmen!
Der Motor gemäß der Erfindung hat daher:
- a) Nur eine reine Drehbewegung, keine hin- und hergehende Bewe gung.
- b) Durch die Wärmerückgewinnung findet eine bessere Kraftstoff- und damit Energieausnützung statt, d. h. es ist eine erhebliche Kraftstoffeinsparung bei gleicher Leistung zu erwarten.
- c) Die Konstruktion ist so aufgebaut, daß bei geringer Drehzahl ein relativ größeres Drehmoment entsteht als bei hoher Drehzahl.
- d) Es handelt sich somit eigentlich um ein Triebwerk und nicht mehr um einen Motor.
Die neue Taktaufteilung in sechs Schritten ist auch auf andere
Triebwerke übertragbar, z. B. für Flugtriebwerke.
Der Motor wird, wie alle bekannten Verbrennungsmotoren, durch
einen elektrischen Anlasser gestartet, das heißt, der Motor muß
in Drehung gebracht werden.
- A) Der Drehschiebeverdichter saugt durch die Rotation Außenluft
über den Luftfilter durch seine exzentrisch angeordneten Räume
an und verdichtet die Luft:
Da nur eine sehr geringe Temperaturzunahme der angesaugten Luft durch Reibung vorhanden ist, kann vereinfacht gesagt werden:
V1 × p1 = V2 × p2
Das Verdichtungsverhältnis soll nicht zu hoch gewählt werden, da sonst die erforderliche Antriebsleistung dafür ebenfalls hoch ist. - B) Die verdichtete Luft wird um den Ringraum geleitet. Das ge
schieht einerseits zur Kühlung des Ringraumes und andererseits
zur Wärmeengergieaufnahme der verdichteten Luft; diese
Wechselbeziehung ist sehr erwünscht.
Bei der Aufsplittung des Verdichterkanals in mehrere Einzelkanäle ist darauf zu achten, daß sich der zur Verfügung stehende Querschnitt nicht ändert, also die Summe der Einzelquerschnitte so groß ist wie der Verdichterabgang. Der Sinn liegt darin, durch Wärmeenergiezufuhr den Druck der ver dichteten Luft nochmals zu steigern. Gleicher Querschnitt deshalb, da eine Erweiterung einen Druckabfall zur Folge hätte.
Die verdichtete Luft kühlt zum hohen Teil das Gehäuse, in dem sich der Antrieb durch die Düsen (Diffusoren) bewegt. Durch die Wärmeaufnahme steigt bereits der Druck der verdichteten Luft an.
Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, wird die verdichtete und bereits erwärmte Luft noch durch einen Wärmetauscher geführt. Dadurch steigt die Energie der verdichteten Luft, da Wärme aus den Abgasen zurückgewonnen wird. Die Temperatur und damit der Druck steigen erheblich.
Es muß weniger Verdichtungsenergie investiert werden, und es er folgt Energierückgewinnung aus den Abgasen.
Durch den Wärmetauscher werden die Abgase abgekühlt.
Um hohe Temperaturen und dadurch einen hohen Druck zu erreichen, ist der Wärmetauscher im Gegenstromprinzip konstruiert.
Die Wärmeaufnahme geschieht in sehr kurzer Zeit.
Die verdichtete Luft wird von der Außenseite des Tauschers nach innen über Rohrleitungen mit aufgepreßten Wärmeleitlamellen in das Zentrum (Mittelrohr mit Längskanal) geführt. - C) Im Mittelrohr (Längskanal in der Welle) wird die verdichtete,
dann erwärmte und dadurch druckgesteigerte Luft dem Zentrum der
Kammer zugeführt. Über Verteilrohre, im Ausführungsbeispiel zwei
Stück, wird die Luft nun den Brennräumen in den Ringdüsen
(Diffusoren) zugeführt.
Der Düsenabstand (Diffusorenabstand) zum Zentrum ist variabel.
Wichtig ist, daß vor dem Eintritt der Luft in den Brennraum eine Rückschlagsicherung vorhanden ist, da im Brennraum durch die Verbrennung eine hohe Drucksteigerung stattfindet, die sich sonst rückwirkend auf das gesamte Wärmetauschersystem auswirken würde.
Direkt vor dem Eintritt in den Brennraum wird die Luft mit dem Brennstoff zum Brenngas vermischt. - D) Im Brennraum findet eine kontinuierliche Verbrennung statt.
Dabei steigt der Druck des Gases auf den Maximalwert.
Durch den Düsenhals entweicht das Abgas mit sehr hoher Geschwin digkeit und wird im Diffusor (Glocke) entspannt.
Es gilt die allgemeine Impulsgleichung.
m1 × v1 = m2 × v2
Da der Abstand der Düsen (Diffusoren) zum Zentrum variabel ist, ändern sich das Drehmoment und die Drehzahl bei Verstellung. Sind die Diffusoren weit vom Zentrum entfernt, ist der Weg = Umlaufbahn groß, d. h. geringe Drehzahl, aber hohes Drehmoment. Sind die Diffusoren jedoch nahe am Zentrum, ist der Weg = Umlaufbahn klein, d. h. hohe Drehzahl, aber in Relation zur langsamen Drehzahl kleines Drehmoment. Durch das höhere Verbrennungsvolumen (max. Drehzahl) wird dies jedoch ausgeglichen.
Es steht fest, daß bei kleiner Drehzahl ein verringertes Volumen durch den Verdichter angesaugt wird und durch die relativ längere Verweildauer im Wärmetauscher eine bessere Wärmerückgewinnung stattfindet.
Entscheidend sind auch die bewegten Massen und die Reibungsverluste. - E) Die Abgase werden im Sammelgehäuse aufgefangen, durch die
außen an diesem vorbeigeleitete, verdichtete Luft zum Teil
abgekühlt und gelangen dann in den eigentlichen Wärmetauscher.
Dort findet die Wärmeübertragung wie im Abschnitt (B)
beschrieben, statt.
Über außenliegende Bohrungen am Austrittsflansch gelangt das Abgas in die Auspuffanlage.
Claims (4)
1. Verfahren zum Betreiben eines Triebwerks,
- - mit Ansaugen von Luft,
- - Komprimieren der angesaugten Luft,
- - Vermischen der komprimierten Luft mit Treibstoff und Zünden im Brennraum (kontinuierliche Verbrennung),
- - Entweichen der Gase aus dem Brennraum
- - Erwärmen der angesaugten, komprimierten Luft und damit verbunden eine weitere Drucksteigerung aus den Abgasen mittels eines Wärmetauschers,
- - Wärmeenergieabgabe der Abgase im Wärmetauscher und Austritt in die Abgasanlage.
2. Triebwerk zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
umfassend einen Verdichter (20) zum Ansaugen und Kompri
mieren von Luft, der einen Rotor (24) mit einer Welle (14)
aufweist und mit einem Brennraum (74) zum Verbrennen der
mit Kraftstoff vermischten und verdichteten Luft verbunden
ist, sowie einen an den Brennraum (74) anschließenden
Krafterzeuger (42) zum Antreiben des Rotors (24) und zur
Abgabe von Nutzarbeit, der aus wenigstens einem Diffusor
(44) besteht, dessen Strömungsachse (46) tangential zum
Rotor (24) ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Welle (14) einen in ihrer Achsmitte liegenden Längs
kanal (70) für die Zuführung der verdichteten Luft hat,
der in einem radial ausgerichteten Kanalabschnitt (72)
übergeht, welcher in den Brennraum (74) mündet,
dass der Krafterzeuger (42) in einem koaxial zu der Welle
(14) ausgebildeten Gehäusen (36) untergebracht ist, dessen
Wandung (34) gleichmäßig verteilte Luftkanäle (38) zur
Weiterleitung der komprimierten Luft vom Verdichter (20)
zu dem Längskanal (70) in der Welle (14) aufweist und
dass der Längskanal (70) mit den Luftkanälen (38) über
Wärmetauscherrohre (68) verbunden ist, welche in einem
Abgassammelgehäuse (64) angeordnet sind, dessen Eingang
mit dem Gehäuse (36) des Krafterzeugers (42) verbunden
ist, und dessen Ausgang zu einem Auspuff (66) führt.
3. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Luftkanäle (38) im Gehäuse (36) des Krafterzeugers
(42) sternförmig angeordnet sind.
4. Triebwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
dass an der Welle (14) des Rotors (24) wenigstens zwei
achssymmetrisch angeordnete Diffusoren (44) angebracht
sind.
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---|---|---|---|
DE1998118368 DE19818368C2 (de) | 1998-04-24 | 1998-04-24 | Verfahren zum Betreiben eines Triebwerks und Triebwerk |
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-
1998
- 1998-04-24 DE DE1998118368 patent/DE19818368C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Title |
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TIMNAT, Y.M.: Advanced chemical Rocket Propulsion,London (u.a.): Academic Press, 1987, S. 162, 163, 168 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19818368A1 (de) | 1999-10-28 |
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