DE2200102B2

DE2200102B2 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Arbeitsgasstromes

Info

Publication number: DE2200102B2
Application number: DE2200102A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Ing. Prag Kotoc
Original assignee: USTAV PRO VYZKUM MOTOROVYCH VOZIDEL PRAG
Current assignee: USTAV PRO VYZKUM MOTOROVYCH VOZIDEL PRAG
Priority date: 1972-01-03
Filing date: 1972-01-03
Publication date: 1974-06-20
Also published as: DE2200102A1; US3782111A; GB1329803A; DE2200102C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Bei einer bekannten, im folgenden als Gasgenerator bezeichneten Vorrichtung dieser Art (deutsche Offenlegungsschrift J 957 154) wird die chemische Energie eines in den Generator geleiteten Brennstoffes in einer Brennkammer in Anwesenheit »»ines Oxadationsmittels in Druck-. Wärme- und Bewegungsenergie der Abgase umgewandelt. Nach Expansion und nach einer Beschleunigung in einer Beschleunigungsvorrichtung strömen die entstandenen Abgase in einen Ejektor und in einen Kontakt-Energieaustauscher. In diesem Austauscher wird das Gemisch aus Abgas und Oxydationsmittel in eine kreisende Bewegung unter gleichzeitiger Wärmeübertragung versetzt, wobei das Oxydationsnatte' ejektorartig den Austauscherraum angesaugt und mit den Abgasen vermischt wird. Das entstandene Mischgas wird durch Fliebkraftwirkung komprimiert und ein Teil über einen die Strömung verzögernden Diffusor als Oxydationsmittel in die Brennkammer geführt. Ein zweiter Teil des Arbeitsmediums wird aus dem Austauscherraum einem Verbraucher, z. B. einer Turbine, Schubdüsen oder einem weiteren Wärmetauscher zur Ausnutzung der D~jck-, Bewegungs- und Wärmeeneigie zugeführt, wobei zur Bildung des ersten Arbeitszyklus der Energieumwandlung eine äußere Energiequelle benutzt wird. Der Nachteil dieser bekannten Vorrichtung liegt insbesondere darin, daß der Hauptteil des Oxydationsmediums, z. B. Luft, die Vorrichtung axial durchströmt und der vergleichsweise geringe Anteil an Mischgas in eine Schraubenbevvegung versetzt wird, um eine Kompression durch Zentrifugalkräfte zu erhalten. Die axial in die Vorrichtung einströmenden Oxydationsgase müssen teilweise in Gegenrichtung umgelenkt werden, was zwangläufig einen erheblichen Energieverlusl zur Folge hat.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine derartige Vorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, daß ein kontinuierlicher Arbeitsgasstrom ohne abrupte Richtungsänderung und dadurch verursachte Leistungsverluste komprimiert in die Brennkammer bzw. einem Verbraucher zugeführt wird. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptaiispruchs angeführten Merkmale gelöst.

Gegenüber z. B. Turbokompressoren haben derartige Abgasgeneratoren den besonderen Vorteil, daß sie keine umlaufenden Teile, wie z. B. Turbinenräder, aufweisen. Dadurch ergibt sich eine Reihe von herstelJungs- und betriebstechnischen Vorteilen. z.B. höhere Betriebstemperaturen, geringere Wartung, einfachere Regelmöglichkeit durch Verstellung beispielsweise der ortsfesten, Diffusor-Kanäle begrenzenden Schaufeln und Wegfall von Schmierstc!- len. Eine besondere Leistungssteigerung gegenüber der bekannten Abgasgenerator-Ausführung wird beim Erfindungsgegensumd durch Ausnützen einmal der Fliehkräfte auf Grund der gekrümmten Mischkammer und zum anderen durch die Druckerhöhung mittels der Diffusor-Kanäle erreicht. Zur Übcrbrükkung besonderer, kritischer Betriebszustände können träge Schwung- bzw. Schaufelräder in den Abgisstrom eingeschaltet werden, die gegebenenfalls Hilfsaggregate, wie Brennstoffzufuhr, antreiben können.

Zur Steigerung der Kompression bzw. der Durchsatzmengen an Arbeitsmedium können mehrere der erfindungsgemäßen Vorrichtungen in Reihe bzw. parallel geschaltet werden. Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Abgasgeneratoren sind unter anderem Flugzeugantriebe, Heizungen, Kcsselanlagen, Luftkissenfahrzeuge od. dgl.

Jm f.ilgenden wird em Ausführungsbeispiel der Er- zweigt. Ein Geroischrest strömt zum Abgasrahr XS, findung an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Die in den Schlitzen verzögerten TeUströroeC verei-Es zeigt _njgen sieh vor der Brennkammer 3 zu einem relativ

Fig. I einen scnemaUschen Radialscbnitt durch langsamen, in die Brennkammer3 gerichteten Strom «Jen Abgasgenerator, 5 mit einem notwendigen DruckgefäUe. Durch die

Fig. 2 eineZünd-bzw. Anlnßvorrichtung für den Fliehkraft-Kompression und die Diffusor-Abbrem-Abgasgenerator nach F i g, 1 im Schnitt, äung strömt der Teilstrom C aus Luft und Startroe-

F i g. 3 eine schematische Seitenansicht einer Pro- duim in die Brennkammer 3, wo bei geeigneter pellerturbine eines Flugzeuges mit drei Abgasgenera- Durchflußmenge die Brennstoffzuleitung für die toren gemäß der Erfindung. ja Brennstoffdüse 1 geöffnet wird. Die erste Zündung

Die in F i g. 1 dargestellte, im folgenden als Abgas- erfolgt mit Hilfe einer Zündkerze 2. Bei Anwendung generator bezeichnete Vorrichtung besteht aus einer von Startraketen, die einen Startstrom von hoher Brennkammer 3 mit einem Flammrohr 4, aus einer Temperatur bilden, verläuft diese erste Zündung Ejektordüse 8, aus einem Ansaugstutzen 9, einer automatisch. Die Energie der hochgespannten Ver-Mischkammer 11, einer Schlitzkammer 13 und einem 15 brennungsgase wird in der Ejektordüse 8 teilweise ir Abgasrohr 15. Ein Brenner 1 wird über eine nicht Bewegungsenergie umgesetzt. Aus der Ejektordüse dargestellte Fördereinrichtung mit einem gasförmi- strömen die Verbrennungsgase mit hoher Geschwingen oder flüssigen Brennstoff versorgt. Das Ende der digkeit in die Mischkammer 11 und saugen dabei Brennkammer mündet in die Ejektordüse 8, die wei- Frischhift durch das Ansaugrohr 9 an. Durch Vermiter in einen Ejektor und in eine Mischkammer 11 20 sehen der Verbrennungsgase mit der angesaugten mündet. Luft E kühlt sich das Gasgemisch in der Mischkamin die Mischkammer 11 strömen Verbrennungs- mer 11 und dem dieser nachgeschalteten Diffusor ab. gase durch die Ejektordüse 8 und vom Ansaugstut- Es besitzt jedoch noch immer eine genügend hohe zen 9 angesaugte Luft und von dieser in eine Schlitz- Temperatur, um f^v.ie kontinuierliche Verbrennung kammer 13. Die Abgase werden mit der Luft durch 25 ohne Zündkerze aufrechtzuerhalten. Gegebenenfalls eine Wirbelwand 12 zu einem homogenen Gemisch kann die Zündkerze 2 als eine Ersatzeinnchtunr: beverwirbelt, das mit annähernd gleichförmiger Ge- nutzt werden.

schwindigkeit in die Schlitzkammer 13 strömt. Die Durch die Schlitze 14 muß so viel Mischgas zur

Ejektordüse 8. der Stutzen 9 und die Mischkammer Brennkammer 3 abgezweigt werden, daß bei einer 11 bilden einen Ejektor, der den für eine vollständige 30 gegebenen Belastung des Abgasgenerators (Gegen-Verbrennung notwendigen Luftüberschuß bewirkt. druck im Abgasrohr 15, Drosselung im Ansaugstut-Bei großen Strömungsgeschwindigkeiten der aus der zen 9. Zustrom des Brennstoffs in der Brennkammer) Ejektordüse 8 austretenden Abgase ist der Ejektor eine kontinuierliche Zirkulation sichergestellt ist und mit Schlitzen zur Herabsetzung von Turbulenzen der Betrieb im Gleichgewicht steht,
versehen, die bei Strömungsmitteln mit sehr verschie- 35 Größere Nennleislungen können einfach durch denen Geschwindigkeiten entstehen. kreisförmige Anordnung mehrerer typisierter Gene-

Die Ejektordüse 8 ist von einem Mantel 10 umge- ratoren hintereinander oder durch Vergrößerung der ben, der auf einer Seite mit dem Rohr 5 der Zulei- Generatorlänge senkrecht zur Strömungseben. ertung des Startmediums verbunden ist (s. auch F i g. 1) reicht werden (in diesem Fall ist die Verbrennungsund auf der anderen Seite gemeinsam mit der Ejek- 40 kammer flach gestaltet). Die zweite Art ist in kontordüse 8 in den Ejektor und in die Mischkammer 11 struktiver Hinsicht einfach und für die Ausbildung mündet. Die Startvorrichtung ist weiter mit einem von Leistungsreihen am zugänglichsten.
Ventil 6 und mit einer Quelle des Mediums % ersehen, Der in Fig. 3 dargestellte Flugzeug-Propellertur-

die einen Ansatz 7 aufweist. Zum Anlassen können binenmotor ist durch eine ringförmige Vereinigung Startraketen oder kleine Druckgasbomben (Sauer- 45 von drei Generatoren nach F i g. 1 gebildet. Ihre Abstoff) benutzt werden. Bei der Benutzung von Start- gasrohre sind an einen gemeinsamen Sammler 16 zur raketen wird das in Fig. 2 dargestellte Ventil 6 Beaufschlagung der Turbinenschaufeln 17 angedurch eine Zündvorrichtung ersetzt. schlossen. In Fig. 3 sind ferner je eine Ansaugrohr-

Der Abgasgenerator arbeitet wie folgt: Zum An- leitung 18 der Generatoren, ein Auspuffrohr 19 des lassen des Generators strömt ein oxydierendes Start- 50 Motors, ein Schaltgetriebe 20 und ein Antriebsprogas S mit hohem Energieniveau durch den Mantel 10 peller 21 dargestellt,
in den Ejektor bzw. die Mischkammer 11. Abgasgeneratoren nach der Erfindung können

Der Startgasstrom 5 kann auch an einer anderen auch zur Heizung von Kesseln oder Räumen eingegeeigneten Stelle dem Umlauf zugeteilt werden Beim setzt werden. Die Ansaug- und die AuspufTrohrlci-Austritt aus dem Mantel 10 bildet sich eine sehr aün- 55 tungen des Generators, ebenso wie seine anderen stige doppelte Ejektionswirkung durch Ansaugen des Teile, können durch Schaufeln zur Gleichrichtung Luftstroms E aus dem Ansaugstutzen 9 und des der Strömung ergänzt und der jeweiligen Verwen-Stroms G aus der Generatordüse 8. Dadurch wird dung angepaßt werden.

eine intensive Strömung im Abgasgenerator hervor- Abgasgeneratoren gemäß der Erfindung können

gerufen. 60 auch unter dem Gesichtspunkt großer rezirkulieren-

Im Innern der Mischkammer 11 kommt es ai der und abgegebener Mischgasmengen ausgelegt sein, einem komplizierten Austausch der Bewegungs- und wie sie z. B. zum Betrieb von Luftkissenfahrzeugen Wärmeenergie zwischen dem Startmedium S, der an- erforderlich sind.

gesaugten LuftE und dem Gasstrom G aus der Ge- Die Motoren mit einem Abgasgenerator nach der

neratordüse8 und der Brennkammer3. In der ge- 63 Erfindung können leicht baukastenartig für die gekrümmten Mischkammer 11 und der gekrümmten wünschte Leistung sowie auch für eine ganze Lei-Schlitzkammer 13 wird das Gemisch durch Flieh- stungsreihe ausgestaltet werden. Sie arbeiten prakkräfte komprimiert und durch die Schaufeln 14 ver- tisch ohne Vibrationen. Die Motoren haben eine lan-

gere Lebensdauer als gebräuchliche Verbrennungsturbineii und bedürfen nur einer sehr geringen Wartung. Schmierstellen und Kühlstellen sind nicht vorhanden, und ihr Anschaffungspreis beträgt nur einen Bruchteil des Preises bekannter Motoren mit Turbokompressoren.

Die Motoren mit einem Abgasgenerator nach der Erfindung können leicht gestartet werden, da bei ihnen keine Trägheitskräfte der Rotoren überwunden

werden müssen, die in den üblichen Motoren enthalten sind. Die Motoren mit Abgasgeneratoren nach der Erfindung können beim Starten nahezu augenblicklich die maximale Leistung entwickeln.

Mit Rücksicht darauf, daß die Abgase im Motor praktisch in einem geschlossenen System umströmen, kann nur eine kleine Menge verunreinigender, toxischer Gase im Vergleich mit der Gesamtleistung des Motors in die Atmosphäre abgelassen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines nach dem Anlassen durch eine äußere Energiequelle selbsttätigen, kontinuierlichen Arbeitsgasstroms mit einer Mischkammer, in die Oxydaticnsgas angesaugt wird, und mit einer «ine Brennkammer enthaltenden Rückführleitung, über die ein Teil des in der Mischkammer erhitzten und teilweise ver- j ο dichteten Arbeitsgasstromj abgezweigt und der Mischkammer nach Passieren der Brennkammer zur Erzeugung einer Ansaugwirkung wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Mischkammer (11) gekrümmt ist, daß der Einlaß (9) für das Oxydationsgas als tangential zur Mischkammer-Längsachse gerichteter, mit dem VerbrennungsgaS-strom (G) betriebene Ejektor (8, 9, 11) ausgebildet ist und daß die aus der Mischkammer tangential herausgeführte Rückiührleitung zwischen dem Abzweig (14. 15) und der Brennkammer al·* Diffuse r ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Ansprach 1. dadurch gekennzeichnet, daß am Abzweig der Rückführleitung Schaufeln (14) angeordnet sind, die zwischen sich diffusorartig erweiternde Kanäle (15) begrenzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Rückführleitung in Fortsetzung derjenigen der Mischkammer (11. 13) gekrümm; ist.

4. V->rrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß im Ansaugstutzen (9) odei in de. Austrittsrohrleitung ein Drosselmechanismjs zur Regelung und Stabilisierung des Betriebs vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (14) zur Verstellung der diffusorartigcn Knnäle (15) verdrehbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (11, 13) eine Vorrichtung zur Änderung der Bahnkrümmung des strömenden Mediums enthält.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die im Ansaugstutzen (9) angeordnete Ejektordüse (8) von einem Mantelrohr (10) umgeben ist und der so gebildete Ringkanal zum Anlassen mit einem Druckmittel beaufschlagt wird.

8. Anlage zur Frzcugung eines Arbeitsgasstromes, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der Kompression mehrere Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Reihe geschaltet sind.

°. Anlage zur Erzeugung eines Arbcitsgasstromes, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Durchströmmengc mehrere Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 strömungstechnisch parallel geschaltet sind.