DE3424310C2 - Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischer Energie in einer turbinenartigen Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischer Energie in einer turbinenartigen Brennkraftmaschine, bei der der in einer Brennkammer durch Verbrennen des durch eine Düse zugeführten Treibstoffes erzeugte Brennstrahl mit in einem Wärmetauscher erzeugten Wasserdampf über zueinander gegenläufig angeordnete Rotoren geleitet wird, deren Schaufeln dem Druck des Brennstrahles angepaßten Widerstand bieten, womit durch Drehung der Schaufeln in einem Brennraum die entstehende Expansionsenergie in mechanische Energie umgeformt wird, die an den Wellen der Rotoren abgenommen wird.

Eine solche Vorrichtung ist durch die DE-OS 19 41 815 bekannt. Bei dieser kombiniert wirkenden Gas- und Dampf-Turbine sind die als gestufte Treibrollen ausgebildeten Rotoren ohne Abstand zueinander nach dem sich verjüngenden und dichten Brennraum vor dem Auslaß angeordnet, so daß die Aufprallfläche des Treibgases auf die Rotoren konzentrisch und verhältnismäßig gering ist. Die Dampfeinleitung ist dem düsenförmigen Einlaß nachgeordnet und ohne Einrichtung zur Pulsation des Treibgases, so daß der Druck des Brennstrahles und des Treibgases nur linear regelbar ist. Der Wärmetauscher ist in der Brennkammer und nicht im Brennraum angeordnet. Dadurch wird dem Brennstrahl Wärme entnommen, die nicht mehr zur Arbeitsleistung zur Verfügung steht. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung des Wärmetauschers im Brennraum wird dagegen die sonst verlorengehende Abwärme genutzt.

In der US 25 07 481 ist eine Drehkolben-Brennkraftmaschine dargestellt und beschrieben, bei der in einem Doppelzylinder zwei sich gegenläufig und synchron drehende Kolben angeordnet sind, die von einem separaten Steuermotor (z. B. Viertaktmotor) angetrieben werden. In den Drehkolben sind Taschen vorgesehen, die bei entsprechender Stellung der Kolben mit den zylindrischen Teilen an dem Zylindergehäuse geschlossene bzw. abgedichtete Brennkammern bilden. In die Brennkammern werden über einen Einlaß Treibstoff und über eine Leitung Luft zur Bildung eines Treibstoff-Luft-Gemisches zugeführt, das durch im Einlaßbereich zu den Brennkammern angeordnete Zündkerzen gezündet wird. Die Brennkammern drehen sich um die Achsen der Drehkolben ohne dabei ihre Größe zu ändern und geben den Brennstrahl (Kraftimpulse) an eine Auslaßleitung ab. Zur vollständigen Entleerung der Brennkammern für den nächsten Ladevorgang dienen ein Ventil und der Auslaß. Somit wird jeder Verbrennungsvorgang, wie es bei Kolben-Brennkraftmaschinen üblich ist, vollständig abgeschlossen.

Die Intensität der Kraftimpulse (Brenndruck) wird zunehmend oder abnehmend durch manuelle Einstellung der Einspritzdüsen und damit der Füllmenge geregelt. Die Anzahl der Kraftimpulse ist abhängig von der Drehzahl der Drehkolben, die abhängig von der Drehgeschwindigkeit des Steuermotors ist, der wiederum manuell geregelt wird.

Somit ergibt sich im Zusammenhang mit der Intensität und Anzahl der Kraftimpulse, daß die Zündkerzen simultan zu jeder Umdrehung der Drehkolben gezündet werden müssen, damit ein ordnungsgemäßer Verbrennungsvorgang in der Brennkammer gewährleistet ist (wie es auch bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen durch Regelung des Zündzeitpunktes der Fall ist).

Bei der bekannten Vorrichtung sind weder ein veränderlicher nicht abgedichteter Brennraum für das aus Treibstoff, Luft und Dampf bestehende Treibgas noch Rotoren mit Schaufeln vorgesehen über die das Treibgas zur Erzeugung des Brenndruckes pulsierend geformt und derart geleitet wird, daß ein oszillierender Druckanstieg und Druckabfall mit einer bestimmten Taktfrequenz entsteht. Auch weitere Merkmale für einen Turbinenantrieb können der US 25 07 481 nicht entnommen werden.

Durch die DE 30 08 229 A1 ist eine als Turbine ausgebildete Brennkraftmaschine bekannt, bei der mehrere Verbrennungsräume und Kompressoren sowie Kompressionsräume, die mit Ventilen bestückt sind, vorgesehen sind. Der Brennstrahl wird wie bei einer gewöhnlichen Turbine parallel zur Turbinenachse geführt und die radial angeordneten Verbrennungsräume sind einzeln ab- und zuschaltbar zur Regulierung des Treibstoffverbrauches. Der Brennstrahldruck wird in bekannter Weise mit eingespritztem Wasser erhöht. Somit handelt es sich um eine herkömmliche Turbine.

Die DE 26 40 098 C2 betrifft eine Parallel-Gemisch-Regenerator-Wärmekraftmaschine mit doppeltem Strömungsmittel, bei der wichtige Maschinenparameter spezifiziert und miteinander verknüpft werden, so daß der Maschinenwirkungsgrad und der Durchsatz für eine Maschine dieser Art maximiert werden. Durch diese Druckschrift ist lediglich die Rückführung von Verlustwärme bekannt.

Die DE-PS 8 72 414 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Druckgas, insbesondere als Treibmittel für Gasturbinenanlagen und beinhaltet eine schwingende Gassäule, die vor und nach Reflexion zurückläuft, also ihre Richtung um 180° wechselt und den dadurch erzeugten Überdruck zum Antrieb einer Turbine benützt. Dieses Rohr (Schwingelement) muß genau abgestimmt sein und nach der Wellentheorie mit cos 0° beginnen und enden. Wenn, wie in der Zeichnung gezeigt ist, laufende Wellen (Schwingungen) verwendet werden, ergeben sich hohe Verluste, weil jede Welle nach einer log-Kurve abklingt, z. B. bei 4,5 m.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wäre eine derart lange Welle nicht realisierbar. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren muß dagegen zwangsläufig die nur in einer Richtung laufende Welle bei sin 0° beginnen und bei sin 90° auf die wirksamen Flächen der Schaufeln der Rotoren treffen, wenn man mit dem bekannten Verfahren vergleicht, bei dem ausschließlich die Longitudinalwelle berücksichtigt ist. Die nach dem bekannten Verfahren arbeitende Maschine ist auch als einfach bzw. doppelt wirkender Kolbenmotor zu betrachten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zur Erzeugung von mechanischer Energie bei dem Verbrennungsvorgang in Kolben-Brennkraftmaschinen sich ergebende harte Verbrennung und Energieverluste durch die Verwendung und besondere Ausbildung einer Turbine zu vermindern.

Ausgehend von der eingangs genannten Vorrichtung ist die Lösung der Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß

• a. die Schaufeln (3) im Abstand zueinander in einem sich erweiterten, gegenüber dem Gehäuse (1) offenen Brennraum (4) angeordnet sind,
• b. in dem jeweils erweiterten Brennraum (4) der Wärmetauscher (8) angeordnet ist, der über eine Dampfleitung (13) mit dem düsenförmigen Einlaß (6) verbunden ist und
• c. der düsenförmige Einlaß (6) durch eine das Treibgas in Pulsation versetzende kubische Pfeife (7) gebildet ist.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei dem Begriff kubische Pfeife handelt es sich um die sinngemäße Verwendung eines physikalischen Begriffes aus der Akustik (vgl. Fischer Lexikon Ausgabe 1964, Herausgeber Walter Gerlach, Physik, Seite 29, Kapitel Akustik).

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ergeben sich folgende Vorteile:
Der Wirkungsgrad gegenüber Kolben-Verbrennungsmaschinen und gegenüber Turbinen wird wesentlich verbessert, da z. B. die Reibungswiderstände bis auf die Lagerreibung der Rotoren vermindert werden und der Verbrennungsdruck konstant gehalten wird, so daß der durch den pulsierenden Brennstrahl entstehenden Zentrifugalkraft eine gleichgroße Gegenkraft gegenüber steht (d. h. gleiche Druckverhältnisse während des Betriebes herrschen) und damit ein ungewollter Abfluß von wirksamer Antriebskraft über unwirksame Maschinenteile verhindert wird.
Es kann jede Art von Treibstoff verwendet werden, mit dem der pulsierende Brennstrahl erzeugt werden kann.
Durch die möglichen hohen Drehzahlen wird eine Wirkung ähnlich einer Schwungkraftmaschine erreicht, so daß die in der Schwungmasse enthaltene Energie für kurze Belastungsstöße zur Verfügung steht, die durch wirtschaftliche Treibstoffzuführung wieder ausgeglichen werden kann.

Nachfolgend wird anhand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt A-A durch die Darstellung in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt B-B durch die Darstellung in Fig. 1.

In einem Maschinengehäuse 1 mit abnehmbaren Deckel 12 (Fig. 2) sind im Rechteck vier walzenförmige Rotoren 2 gegenläufig drehend angeordnet.

Die Rotoren 2 weisen Schaufeln 3 auf. Die Schaufeln 3 bilden in der Mitte des Gehäuses 1 einen sich erweiternden nicht abgedichteten Brennraum 4. An zwei gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 1 sind düsenförmige Einlässe 6 für das Treibgas vorgesehen, an die sich Brennkammern 5 anschließen. Anstelle der düsenförmigen Einlässe 6 können zur pulsierenden Formung des Brennstrahles mittels Druckluft sogen. kubische Pfeifen 7 verwendet werden.

In dem sich erweiternden Brennraum 4 ist ein Wärmetauscher 8 angeordnet, über den ein Teil der Abwärme in Form von erwärmtem Dampf im Bereich des düsenförmigen Einlasses 6 in die Brennkammer 5 zur Bildung von Treibgas zurückgeführt wird. Der Brennraum 4 steht mit zwei sich gegenüberliegenden Auslässen 10 für die Abgase in Verbindung.

Mit 11 ist ein sogen. Machscher Kegel bezeichnet, der sich ausbildet, wenn die kontinuierlichen Explosionen in sehr schneller Folge auftreten.

In den Fig. 2 und 3 sind schematisch eine Dampfleitung 13, eine Brennstoffleitung 14 eine Druckluftleitung 15 und Abtriebswellen 16 dargestellt.

Wirkungsweise

Über die düsenförmigen Einlässe 6 wird ein in seiner Zusammensetzung regelbares Gemisch aus Treibstoff, Luft und Dampf zugeführt, das in den Brennkammern 5 gezündet wird. Das Treibgas wird mittels der Pfeifen 7 pulsierend beaufschlagt und zu einem Brennstrahl geformt. Der Brennstrahl wird anschließend derart über die Schaufeln 3 der Rotoren geleitet, daß im Brennraum 4 ein oszillierender Druckanstieg und Druckabfall entsteht, dessen Taktfrequenz gleich der Anzahl der pro Sek. vorbeilaufenden Schaufeln 3 ist. Die Rotoren 2 tragen durch entsprechende Ausbildung der Schaufeln 3 zur pulsierenden Formung (Modulierung) des Brennstrahles bei. Die Aufprallflächen der Schaufeln 3 nehmen die kinetische Energie des Brennstrahles auf, der auch in Form einer Longitudinalwelle auf diese Flächen prallt. Die Ausbildung dieser Schaufeln trägt über zeitlich begrenzte Bereiche zu einer möglichst homogenen, sinusförmigen, oberwellenarmen Formung der Brennstrahlen bei. Eine Unterbrechung erfolgt durch den Wechsel der Arbeitsmittel.

Die Brennstrahlen strömen in der Anlaufphase durch die engen Spalten zwischen den Schaufeln 3 und dem Gehäuse 1 zum Auslaß 10. Hierbei werden die Rotoren 2 teils durch Druck und teils durch Sog mitgenommen. Mit zunehmender Drehzahl der Rotoren 2 baut sich am Außenrand der Schaufeln 3 zur Brennkammer hin ein Druck auf, der dem Brenndruck entspricht. Dadurch wird ein Auströmen des Brennstrahles durch den unwirksamen Teil der Spalten während des Betriebes verhindert. Der Druck der Longitudinalwelle und die Strömung des Brennstrahles wirken auf die Aufprallflächen der Schaufeln 3. Durch Drehen der Schaufeln 3 in Richtung zu dem sich erweiternden Brennraum wird dem Brennstrahl durch die vorgegebene Ausdehnung in den Brennraum die Energie entzogen. Der Strom des Brennstrahles wird als solcher ständig aufrecht erhalten. Das pulsierende Formen bzw. Modulieren des jeweiligen Brennstrahles durch die Pfeifen 7 und die Rotoren 2 ist so zu verstehen wie in der Hochfrequenztechnik. Hier läuft die Welle mit der Trägerfrequenz mit einer relativ gleichbleibenden Energiemenge, nur die aufmodulierte Frequenz bildet zusammen mit der Trägerfrequenz neue, mehr oder weniger abweichende Frequenzen.

Wichtig ist, daß hier zum Druckunterschied vor und nach den Schaufeln 3 noch der pulsierende Brenndruck (Modulationsdruck) mit einbezogen wird. Dieser Modulationsdruck ist z. B. bei einer Frequenz von 7000 Schwingungen pro Sek. in der Wirkung ähnlich einem Kolbenmotor, der mit einer Explosionsfolge von 7000 pro Sek. arbeiten würde.

Die Pulsation ist mit ihrer Frequenz auch abhängig von der Last. Sie muß so gestaltet werden, daß die Longitudinalwelle des Brennstrahles immer mit dem sogen. Hochdruckteil auf die Schaufeln 3 trifft und mit dem sogen. Unterdruckteil das Nachziehen der Schaufelflanken bewirkt.

Ein weiterer Unterdruckeffekt tritt dadurch auf, daß ein Teil des Brennstrahles an den Schaufeln 3 der Rotoren 2 vorbei strömt. Dadurch tritt vom erweiterten Brennraum 4 her auf die Rückflächen der Schaufeln 3 eine "Sogwirkung" auf. Wenn die Last an der Abtriebswelle 16 steigt tritt dadurch eine Drehzahlminderung ein (mit Frequenzabsenkung). Dies kann durch vermehrte Treibstoffeinspritzung ausgeglichen werden. Ist die Last zu groß, so wird die Wärme sich in den Brennkammern 5, Brennraum 4 und am Auslaß 10 mehr stauen und an dem zum thermischen Ausgleich eingebauten Wärmetauscher 8 eine größere Wärme und damit einen höheren Dampfdruck erzeugen. Dieser vermehrte Dampfdruck wird in die Brennkammer 5 entladen. Wird die Last noch weiter erhöht, so fällt die Maschine außer Tritt.

An Stellen, an denen erhebliche Temperaturspitzen auftreten, werden zweckmäßig die Wände des Gehäuses 1 mit dampfleitenden Rohren ausgebildet. Ebenso wird an den Auslässen 10 den Abgasen mittels Wärmetauscher 8 alle noch wirtschaftlich entnehmbare Energie über dampfleitende Rohre entnommen.

Die Betriebstemperatur in dem Brennraum 4 soll sich zwischen 1500°-2000° einspielen. Dabei sind die Dampfrohre so zu führen, daß der Dampf in Richtung Einlaß 7 in steigender Temperatur strömt. Hiermit soll erreicht werden, daß der Dampf einen thermischen Ausgleich in den verschieden hoch erwärmten Bauteilen bewirkt. Dies ist wichtig, da die Antriebsmaschine gegen Wärmeverlust isoliert ist.

Es muß sichergestellt sein, daß immer Dampf mit niederer Temperatur durch Rohre mit höheren Temperaturen strömt. Bei der durch Abströmen auftretenden Druckminderung wird aus dem unter hohem Druck, z. B. 25 bar, stehendem Wasserdampf niederer Temperatur minimal 100° aufsteigen. Im Extremfall würde Dampf derart niederer Temperatur durch Rohre mit einer Temperatur von 2000° strömen.

Der Dampfstrahl muß sich in der Pulsation analog der Pulsation des Treibstoff-Luftgemisches verhalten. Da die Pulsation weitgehend von dem düsenförmigen Einlaß 6, der Pfeife 7 und von den Schaufeln 3 der Rotoren 2 bestimmt wird, muß durch Formgebung dieser Bauelemente diese Tendenz begünstigt werden.

Im Brennraum 4 werden sowohl das Treibstoff-Luftgemisch als auch der Dampfstrahl verwertet. Durch Öffnen und Schließen verschiedener Ventile 17 kann gesteuert werden, welches der beiden Mittel jeweils am günstigsten wegen des thermischen Ausgleichs bzw. am wirtschaftlichsten eingesetzt wird. Hierfür können mit Druck- und Temperatur-Meßeinrichtungen die günstigsten Druck- und Temperaturverhältnisse für die Wahl des zum jeweiligen Zeitpunkt wirtschaftlichsten und zwingend notwendigen Mittels festgestellt werden.

Bezugszeichenliste

 1 Maschinengehäuse
 2 Rotor
 3 Schaufel
 4 Brennraum
 5 Brennkammer
 6 düsenförmiger Einlaß
 7 Pfeife
 8 Wärmetauscher
 9 Trennblock
10 Auslaß
11 Machscher Kegel
12 Deckel
13 Dampfleitung
14 Brennstoffleitung
15 Druckluftleitung
16 Abtriebswelle
17 Ventile

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischer Energie in einer turbinenartigen Brennkraftmaschine, bei der der in einer Brennkammer durch Verbrennen des durch eine Düse zugeführten Treibstoffes erzeugte Brennstrahl mit in einem Wärmetauscher erzeugten Wasserdampf über zueinander gegenläufig angeordnete Rotoren geleitet wird, deren Schaufeln dem Druck des Brennstrahles angepaßten Widerstand bieten, womit durch Drehung der Schaufeln in einem Brennraum die entstehende Expansionsenergie in mechanische Energie umgeformt wird, die an den Wellen der Rotoren abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet,

• a. daß die Schaufeln (3) im Abstand zueinander in einem sich erweiternden, gegenüber dem Gehäuse (1) offenen Brennraum (4) angeordnet sind,
• b. daß in dem jeweils erweiterten Brennraum (4) der Wärmetauscher (8) angeordnet ist, der über eine Dampfleitung (13) mit dem düsenförmigen Einlaß (6) verbunden ist und
• c. daß der düsenförmige Einlaß (6) durch eine das Treibgas in Pulsation versetzende kubische Pfeife (7) gebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier oder mehr walzenförmige Rotoren (2) im Rechteck angeordnet sind, daß mindestens zwei düsenförmige Einlässe (6) sich gegenüber liegen und daß in der Mitte der Anordnung ein Trennblock (9) für die Brennstrahler vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am jeweiligen Auslaß (10) ebenfalls ein Wärmetauscher (8) angeordnet ist.