DE3628037A1 - Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungskraftma­ schine mit einem Verdichter für die Ansaugluft und einem Wärmetauscher.

Eine derartige Kraftmaschine wird beispielsweise durch eine Gasturbine gebildet, wobei der Wärmetauscher die Restwärme der Abgase an die Ansaugluft zurückführt. Da hierfür Wärmetauscher mit großer Leistung benötigt werden, sind sie entweder sehr voluminös oder konstruktiv aufwendig, z. B. eine gasdurchlässige rotierende Scheibe, die sich quer durch den Niederdruck-Luftkanal und den Hochdruck-Luftkanal erstreckt. Als Verdichter werden dabei als Kreiselgebläse arbeitende Maschinen verwendet, die von der Gasturbine angetrieben werden, wodurch deren Nutzleistung verringert wird.

Weiterhin sind für Verbrennungsmotoren sogenannte Druckwel­ lenverdichter bekannt. Die zur Luftverdichtung benötigte Energie wird dabei durch kurzzeitigen Kontakt zwischen Abgasstrom und Frischluft mit sogenannten Druckwellen übertragen. Dieser Energieaustausch spielt sich in am Umfang eines Rotors angeordneten axial verlaufenden Zellen ab, deren an sich offene Enden während der Drehung des Rotors periodisch geschlossen werden und an Öffnungen vorbeidrehen, die ihrerseits mit den Luft- oder Abgaslei­ tungen des Motors verbunden sind. Der Rotor dient somit nur zur Steuerung des Druckwellenprozesses und benötigt zum Antrieb durch den Motor praktisch keine Leistung. Weiterhin ist es bei Verbrennungsmotoren vorteilhaft, während des Warmlaufens eine Luft- oder Gemischvorwärmung vorzusehen, während nach dem Warmlaufen der Motor gekühlt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbren­ nungskraftmaschine der eingangs genannten Art bereitzu­ stellen, die mit geringem Aufwand mit einem platzsparenden Wärmetauscher hoher Leistung versehen ist.

Dies wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen erreicht. In den Ansprüchen 2 und 3 sind zwei vorteilhafte Ausfüh­ rungsformen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschi­ ne gekennzeichnet.

Nach der Erfindung ist also eine Einrichtung vorgesehen, die nach Art eines Druckwellenverdichters aufgebaut ist, jedoch in denselben einen Wärmetauscher integriert enthält. Ein Teil der hochgespannten heißen Abgase der Verbrennungskraftmaschine wird also über den Druckwel­ lenverdichterteil dieser Einrichtung geführt, während die entspannten, jedoch noch Restwärme enthaltenden Abgase nach geleisteter Arbeit im Druckwellenverdichter­ teil dem Wärmetauschteil der Einrichtung zugeführt werden, und zwar bei einer Gasturbine. Demgegenüber ist die erfindungsgemäße Einrichtung bei Verbrennungsmoto­ ren derart konzipiert, daß dem Wärmetauschteil der Einrichtung Frischluft zugeführt wird, welche den Rotor kühlt und die Ansaugluft vorerwärmt. Der Antrieb des Rotors kann entweder mechanisch oder durch einströmende Gase erfolgen. Die Regulierung der Drehzahl des Rotors kann mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder durch regulierbare Gaseintritts- bzw. -austrittsöffnungen vorgenommen werden.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schmatisch:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungs­ form der nach Art eines Druckwellenverdichters ausgebildeten Einrichtung und die Anordnung dieser Einrichtung bei einer Gasturbine als Verbrennungskraftmaschine;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Steuerplat­ ten und des Rotors der Einrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine aufgemantelte Darstellung des Rotors gemäß Fig. 1 und 2 mit schematischer Wiedergabe der darin ablaufenden Vorgänge; und

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Rotor nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 und 2 führt zu einer Brennkammer 1 einer Gasturbine eine Hochdruck-Luftleitung 2. In der Brennkam­ mer 1 wird der Hochdruckluft durch eine Düse 3 Brennstoff zugeführt und verbrannt. Die in der Brennkammer 1 verbrann­ ten Gase treten durch eine Düse und beaufschlagen das Turbinenlaufrad 4. Die unter hohem Druck stehenden, heißen Abgase der Turbine werden über eine Leitung 5 einer Einrichtung 6 zugeführt.

Die Einrichtung 6 ist nach Art eines Druckwellenverdich­ ters aufgebaut. Sie weist dazu einen in einem zylindri­ schen Gehäuse 7 umlaufenden trommelförmigen Rotor 8 auf, der am Umfang mit axial verlaufenden Zellen 9 versehen ist. Der Rotor 8 wird von der Gasturbine mecha­ nisch, beispielsweise mittels eines Riemens, angetrieben.

Beiderseits des Rotors 8 sind Steuerplatten 10, 11 vorgesehen, die jeweils mit drei Öffnungen 12, 13, 14 bzw. 15, 16, 17 versehen sind. Die Öffnungen 12, 13 und 15, 16 einerseits und die Öffnungen 14 und 17 andererseits liegen dabei gemäß Fig. 2 jeweils auf einem halbkreisförmigen Sektor der Steuerplatten 10,11.

Alle Öffnungen 12 bis 17 weisen den gleichen radialen Abstand auf. Während die Öffnungen 14 und 17 einander gegenüberliegen, sind die Öffnungen 12, 13 der einen Steuerplatte 10 gegenüber den Öffnungen 15, 16 der anderen Steuerplatte 11 versetzt angeordnet.

An die Öffnungen 15 ist dabei die Hochdruckabgasleitung 5 über einen Kanal 18 angeschlossen, während an die Öffnung 13 ein Kanal 19 anschließt, der zu der Hochdruck- Luftleitung 2 zur Brennkammer 1 der Gasturbine führt.

Die Öffnung 16 ist über einen in der Zeichnung schematisch dargestellten Kanal 12 mit der Niederdruck-Abgasleitung 22 und die Öffnung 12 über einen in der Zeichnung gleichfalls schematisch angedeuteten Kanal 23 mit der Niederdruck-Luftleitung 24 verbunden, über welche aus der Umgebung Luft angesaugt wird.

Die Niederdruck-Abgasleitung 22 ist über einen Kanal 25 an die Öffnung 14 der Steuerplatte 10 angeschlossen. Ein weiterer Kanal 26 schließt an die gegenüberliegende Öffnung 17 der Steuerplatte 11 an. Der Kanal 26 führt gegebenenfalls über ein Auspuffrohr ins Freie.

Die ins Freie führende Öffnung 17 weist dabei eine Bogenlänge auf, daß ihr auch die an die Niederdruck-Luft­ leitung 24 angeschlossene Öffnung 12 gegenüberliegt, so daß das Abgas aus der betreffenden Zelle 9 des Rotors 8 gespült und die Zelle 9 mit Frischluft gefüllt werden kann.

Mit der Einrichtung 6 wird zur Verdichtung der Luft benötigte Energie durch kurzzeitigen direkten Kontakt zwischen der Hochdruck-Abgasleitung 5 und der Niederdruck- Luftleitung 24 mit sogenannten Druckwellen übertragen.

Dazu werden die an sich offenen Enden der Zellen 9 des Rotors 8 während der Drehung des Rotors 8 durch die Steuerplatten 10, 11 periodisch geschlossen und an den Öffnungen 12, 13 und 15, 16 vorbeigedreht. Der Rotor 8 dient dabei zur Steuerung des Druckwellenprozesses und benötigt zu seinem Antrieb durch die Gasturbine praktisch keine Leistung.

Während eines Drehzyklus gelangt zunächst hochgespanntes, heißes Abgas über die Leitung 5 durch die Öffnung 15 axial in die dahinter gerade erscheinende Zelle 9 des Rotors 8. Die darin befindliche Frischluft, die in diese Zelle zuvor über den Kanal 23 und die Öffnung 12 in der Steuerplatte 10 zugeführt worden ist, wird durch das hochgespannte Abgas zu dem der Steuerplatte 10 zugewandten Ende der vorerst noch geschlossenen Zelle 9 gedrängt und dort verdichtet. Durch die Drehung des Rotors 8 gelangt nun diese Zelle in den Bereich der Öffnung 13, welche über den Kanal 19 mit der Hoch­ druck-Luftleitung 2 verbunden ist. Anschließend wird die Zelle 9 über die Öffnung 16 in den Kanal 21 mit der Niederdruck-Abgasleitung 22 verbunden. Das bisher in der Zelle 9 gefangene Abgas wird reflektiert und strömt aus der Zelle aus.

Das zwar entspannte, aber noch heiße Abgas der Gasturbine, das aus dem Kanal 21 austritt, wird dann über die Leitung 22 dem Kanal 25 zugeführt, wo es über die Öffnung 14 der Steuerplatte 10 durch die Zellen 9 des Rotors 8 hindurchtritt und diese über die Öffnung 17 der anderen Steuerplatte 11 verläßt und dann über den Kanal 26 ins Freie abgeht.

Beim Durchtritt durch die Zelle 9 gibt das Niederdruck­ -Abgas seine Restwärme über den Rotor 8 an die Luft ab, die über den Kanal 23 dem Rotor zugeführt und kompri­ miert wird.

Es wird also ein Wärmetausch und damit eine beträchtliche Vorerwärmung der dem Brennraum 1 über die Leitung 2 zugeführten Hochdruckluft erreicht.

In Fig. 3 sind die geschilderten Vorgänge anhand einer aufgemantelten Darstellung des Rotors verdeutlicht, wobei die Bezugsziffern 2, 5, 8, 9, 18, 19 und 21 bis 26 die gleiche Bedeutung haben wie in Fig. 1 und der Pfeil a die Drehrichtung des Rotors 8 darstellt.

Die heißen Abgase der Niederdruck-Abgasleitung 22, die über den Kanal 25 dem Rotor 8 zugeführt werden und ihn über den Kanal 26 wieder verlassen, erwärmen die Zellen 9 des Rotors. Die über die Leitung 24 bzw. den Kanal 23 in den Rotor einströmende Umgebungsluft wird dadurch vorerwärmt.

Während diese Vorerwärmung bei einer Gasturbine normaler­ weise während des gesamten Betriebs erwünscht ist, ist bei einem Verbrennungsmotor erwärmte Ansaugluft nur beim Warmlaufen, nicht jedoch während des Normalbe­ triebes erwünscht. Demgemäß kann eine Leitung 29 vorgese­ hen sein, mit der das aus dem Kanal 21 austretende Niederdruck-Abgas direkt ins Freie bzw. den Auspuff abgeführt wird.

Gemäß Fig. 3 ist nach einer weiteren Ausführungsform der Rotor 8′ aus zwei konzentrisch zueinander angeordne­ ten Nabenringen 27, 28 gebildet. Der äußere Nabenring 27 trägt dabei einen Kranz von Zellen 9′ und ein zweiter Kranz von Zellen 9′′ ist zwischen dem inneren Nabenring 28 und dem äußeren Nabenring 27 angeordnet. Die Öffnungen der Steuerplatten, die zur Hochdruck-Abgasleitung 5, der Hochdruck-Luftleitung 2, der Niederdruck-Abgasleitung 22 und der Niederdruck-Luftleitung 24 führen, sind dabei mit gleichem radialen Abstand wie der Kranz der Zellen 9′ angeordnet, während dem inneren Zellenkranz 9′′ an beiden Steuerplatten sich gegenüberliegende, um den Umfang der Steuerplatten verteilte Öffungen zugeordnet sind, wobei die Öffnungen der einen Steuerplat­ te, die dem inneren Kranz der Zellen 9′′ zugeordnet sind, mit der Niederdruck-Abgasleitung 22 verbunden sind und die Öffnungen der anderen Steuerplatte, die dem inneren Kranz der Zellen 9′′ zugeordnet sind, gegebe­ nenfalls über ein Auspuffrohr ins Freie führen.

Die Wände der Zellen 9′′, die zu den Wänden der Zellen 9′ versetzt angeordnet sind, können sich dabei auch radial in die Zellen 9′ hineinerstrecken, und umgekehrt, um den Wärmetausch zu verbessern. Auch kann, abgesehen von den Endabschnitten an den Steuerplatten, die innere Umfangswand der Zellen 9′ radial nach innen bzw. die äußere Umfangswand der Zellen 9′′ radial nach außen gezogen sein.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht nur bei einer Gasturbine, sondern auch bei anderen Verbrennungskraft­ maschinen anwendbar ist, also auch bei Verbrennungsmoto­ ren. In diesem Fall sind die Öffnungen 14, 17 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 bzw. die dem inneren Kranz von Zellen 9′′ zugeordneten Öffnungen beider Steuerplatten einerseits mit einer ins Freie führenden Luftansaugleitung und andererseits mit der Öffnung 15 zur Beaufschlagung des Druckwellenverdichters mit Niederdruck verbunden.

Die Erfindung ist insbesondere für Gasturbinen bestimmt. Bei Gasturbinen wird nämlich die in mechanische Energie umgewandelte Druck- und Wärmeenergie zu einem großen Teil zum Antrieb des Verdichters benötigt. Da anderer­ seits erfindungsgemäß der Rotor 8 nur der Steuerung der Druckprozesse in dem Verdichter 6 dient, benötigt sein Antrieb praktisch keine Leistung von der Gasturbine. Demgemäß wird durch die Erfindung eine erhebliche Steige­ rung der effektiv nutzbaren mechanischen Energie, d. h. des Wirkungsgrades einer Gasturbine erzielt.

Bei Gasturbinen kann die erfindungsgemäße, nach Art eines Druckwellenladers ausgebildete Einrichtung auch in Serie mit einem Verdichter herkömmlicher Bauart geschaltet sein, um den Energiebedarf eines solchen Verdichters entsprechend zu reduzieren.

Ebenso kann bei Verbrennungsmotoren die erfindungsgemäße Einrichtung in Serie mit üblichen Ladern geschaltet werden, um die gegenüber einem Lader kurze Ansprechzeit der erfindungsgemäßen Einrichtung zu nutzen.

Claims (3)

1. Verbrennungskraftmaschine mit einem Verdichter für die Ansaugluft und einem Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, daß eine nach Art eines Druckwellenver­ dichters ausgebildete Einrichtung (6) vorgesehen ist, welche einen Rotor (8, 8′) mit axial verlaufenden Zellen (9, 9′, 9′′) und Steuerplatten (10, 11) auf beiden Seiten aufweist, welche jeweils mit mindestens zwei Öffnungen (12, 13, 14, 17) versehen sind, wobei die beiden Öffnungen (12, 13) der einen Steuerplatte (10) mit einer Niedrigdruck-Luftleitung (24) für die Ansaugluft bzw. einer Hochdruck-Luftleitung (2) für die verdichtete Luft und die beiden Öffnungen (15, 16) der anderen Steuerplatte (11) mit einer Hochdruck-Abgasleitung (5) von der Verbrennungskraftma­ schine bzw. mit einer Niederdruck-Abgasleitung (22) verbunden und derart angeordnet sind, daß bei umlaufen­ dem Rotor (8, 8′) jede Zelle (9, 9′, 9′′) nacheinander mit der Niederdruck-Luftleitung (24), der Hochdruck-Ab­ gasleitung (5), der Hochdruck-Luftleitung (2) und der Niederdruck-Abgasleitung (22) verbunden wird, und mindestens je eine weitere Öffnung (14, 17) in jeder Steuerplatte (10, 11) vorgesehen ist, welche aneinander gegenüberliegen und einerseits mit der Niederdruck-Abgasleitung (22) und andererseits mit einer ins Freie führenden Abgasleitung oder einerseits mit einer ins Freie führenden Ansaugleitung und andererseits mit der Niederdruck-Luftleitung verbunden sind.

2. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Öffnungen (12, 13) zu der Nieder­ druckluftleitung (24) und der Hochdruckluftleitung (2) und die Öffnungen (15, 16) zu der Hochdruck-Abgasleitung (5) und der Niederdruck-Abgasleitung (22) in einem Kreissektor der Steuerplatten (10, 11) und die weiteren Öffnungen (14, 17) mit gleichem radialem Abstand, aber in davon getrennten Kreissektoren angeordnet sind, wobei der Öffnung (12) zu der Niederdruck-Luftleitung (24) eine der weiteren Öffnungen (17) an der anderen Steuerplatte (11) gegenüberliegt.

3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (8′) aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Nabenringen (27, 28) besteht, wobei der äußere Nabenring (27) einen Kranz von Zellen (9′) trägt und ein zweiter Kranz von Zellen (9′′) den inneren Nabenring (28) mit dem äußeren Nabenring (27) verbindet und daß die Öffnungen der Steuerplatten, die zur Hochdruckabgasleitung (5), zur Hochdruck-Luftleitung (20), zur Niederdruck-Abgasleitung (22) und zur Nieder­ druck-Luftleitung (24) führen, mit gleichem radialen Abstand wie der eine Zellenkranz und die weiteren Öffnungen mit gleichem radialen Abstand wie der andere Zellenkranz angeordnet sind.