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Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit Verdichter, der Luft ansaugt und unabhängig von der Belastung des Motors verdichtet in eine temperaturgesteuerte Brennkammer einspeist, in der heisse Brenngase erzeugt werden, die zur Arbeitsleistung einem Motor zugeführt werden, wobei entsprechend der Belastung des Motors die Temperatur der Brennkammer gesteuert wird.
In der deutschen Offenlegungsschrift 2012931 ist ein Thermogenerator einer Wärmekraftmaschine beschrieben, der einen Verdichter und eine Brennkammer besitzt, die in der angegebenen Art zusammenwirken. Allerdings werden bei diesem Thermogenerator sowohl Luft als auch Dampf als Arbeitsmittel verwendet, die zur Entwicklung des Druckes im Thermogenerator beitragen. Demnach stellt auch der Kreislauf eine Kombination aus Kreislauf für Luft und für Dampf dar.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Brennkammer mit Brennstoff und Luft derart zu beaufschlagen, dass ein optimaler Arbeitspunkt des nachgeschalteten Motors auch bei verschiedener Belastung erreicht wird, wobei der Motor beispielsweise ein Drehkolbenmotor, eine Gasturbine oder ein sogenannter Flügelzellenrotor sein kann. Zum Betrieb dieses Motors soll ein Gemisch aus Luft und Brenngasen verwendet werden. Bei der bekannten Maschine wird ein"Pendelndes Gleichgewicht"zwischen Brenngas und Dampferzeuger hergestellt.
Wie bekannt, liegen allerdings bei einer solchen Anordnung nicht nur in der Brennkammer Probleme, sondern auch bei der Schwierigkeit, den Drehkolben- oder Flügelrad mo tor so zu bauen, dass über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen ein vernünftiger Gesamtwirkungsgrad erreicht wird. Die Erfahrung hat gezeigt, dass grosse Flugzeuggasturbinen mit einem guten Gesamtwirkungsgrad arbeiten können, wenn sie dauernd knapp unterhalb ihrer Volleistung betrieben werden. Anders ist es bei der Gasturbine, wie sie im Kraftfahrzeug verwendet werden könnte. Hier setzt die Baugrösse der Turbine dem Gesamtwirkungsgrad Grenzen. Weitere Schwierigkeiten ergeben sich bei dem Betrieb einer Gasturbine im Teillastbetrieb, da hiebei der Verdichtungsdruck mit der fallenden Drehzahl fällt und somit der thermische Wirkungsgrad auf unbrauchbare Grössen abfällt.
Demgegenüber stellt sich die Aufgabe, eine Wärmekraftmaschine zu schaffen, bei der ein problemloser Motor, wie Gasturbine oder Flügelzellenrotor, verwendet werden kann, wobei der Wirkungsgrad hochgehalten werden kann, indem bei konstant hoher Verdichtung im Motor gearbeitet werden kann und gleichzeitig die Vorteile der fortlaufenden Gleichdruck-Verbrennung genutzt werden können.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Wärmekraftmaschine der genannten Art, bei der die heissen Brenngase bei konstantem Druck der Brennkammer entnommen und einem Motor mit veränderbarem Arbeitsquerschnitt zugeführt werden.
Die Mittel, durch die der Druck in der Brennkammer konstant gehalten werden kann, sind an sich bekannt. Bei der vorliegenden Anordnung wird ein konstanter Druck zwischen Brennkammer und Motor angestrebt, der dadurch aufrechterhalten wird, dass Brenngas entsprechend der geförderten Ausgangsleistung aus der Brennkammer abgezogen und dabei der Druck in der genannten Zone reguliert wird. Die Erhöhung der Ausgangsleistung erfolgt also durch Abgabe grösserer Mengen verbrannter Gase, was wieder über die Temperatur und die Zufuhr des Brennstoffes in der Brennkammer zu steuern ist. In einer einfachen Ausführung wird durch Druck auf ein "Gaspedal" die Brennstoffzufuhr erhöht und die Gasabgabemenge vergrössert.
Da der Arbeitsquerschnitt des nachgeschalteten Motors dabei vergrössert wird, erhöht sich der Druck zwischen Brennkammer und Motor nicht, sondern lediglich das pro Zeiteinheit durchgesetzte Gasvolumen.
Eine erste Ausführungsform der Wärmekraftmaschine besitzt einen Drehkolben-Verdichter, dessen Drehzahl veränderbar ist, einem mit dem Verdichter über eine Welle und über ein Getriebe verbundenen Motor mit wenigstens einer Drehkolbenanordnung, der mit erhitztem Brenngas beaufschlagt wird und je nach gelieferter Brenngasmenge pro Zeiteinheit mit hoher oder geringer Drehzahl arbeitet, und ein Getriebe mit stufenlos veränderlichem Übersetzungsverhältnis, über das der Motor den Verdichter antreibt, wobei die Einstellung des Übersetzungsverhältnisses durch an sich bekannte Temperatur- und Verdichtungsdruck-Fühler regelbar ist, die zwischen Brennkammer und Motor eingebaut werden.
Eine zweite Ausführungsform besitzt einen Verdichter, eine Brennkammer mit lastabhängiger Abgabe von erhitztem Gas und mehrerer Drehkolbenmaschinen, die mit dem Verdichter auf einer Welle sitzen und deren Einlassöffnungen nach der Belastung der Welle entsprechend der gemessenen Ausgangsleistung mittels Drosselklappen, welche durch Magnetschalter betätigbar sind, zu öffnen sind, so dass ein oder mehrere Rotoren mit erhitzten Brenngasen beaufschlagt sind.
Als Drehkolbenmaschinen und-Verdichter lassen sich solche einsetzen, die in der USA-Patentschrift Nr. 2, 248, 639 dargestellt sind.
Zur Arbeitsleistung ist es erforderlich-und das ist der Grundgedanke-, den Arbeitsquerschnitt des nachgeschalteten Arbeitsmotors veränderlich zu gestalten und entsprechend dem konstant zu haltenden Verdichtungsdruck, der Temperatur und somit der Leistung entsprechend zu regeln.
Die Wärmekraftmaschinen sind so gestaltet, dass sie nach annähernd adiabatisch verlaufender Verdichtung, anschliessender Gleichdruckverbrennung in der Brennkammer, Nutzarbeit bei annähernd adiabatischer Entspannung im Motor abgeben.
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Bei einer Leistungsänderung (steuerbar durch Verändern der Brennkammertemperatur) wird der Arbeitsquerschnitt (auch Schluckvermögen genannt) des Motors verändert. Bei einer willkürlich gewählten, konstanten Brennkammertemperatur spielt sich bei einer bestimmten, von der Last abhängigen Drehzahl ein Verdichtungsdruck ein, der sich entsprechend dem Verhältnis Ansaugquerschnitt zu Auslassquerschnitt und damit allein vom Arbeitsquerschnitt des Motors abhängig einstellt. Der Arbeitsquerschnitt ist daher der Leistungsänderung und Brennkammertemperatur entsprechend zu regeln. Abhängig davon ist durch Änderung des Arbeitsquerschnittes ein wählbarer Verdichtungsdruck aufrechtzuerhalten, was die Voraussetzung für einen hohen thermischen Wirkungsgrad ist. Dagegen ist es nicht ratsam, den Strom der Arbeitsgase zu drosseln, da hiedurch nutzbare Leistung vernichtet wird.
Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben. Die Figuren der Zeichnungen zeigen ; Fig. l ein Schema einer Wärmekraftmaschine mit einem stufenlos regelbaren Getriebe zwischen Motor und Verdichter und Fig. 2 ein Schema einer Wärmekraftmaschine mit wahlweise zuschaltbaren Motoren verschiedener Arbeitsquerschnitte.
In Fig. l ist schematisch eine Brennkammer-l-dargestellt, in die eine Einspritzdüse --2-- hineinragt. Die Brennkammer wird über einen Verdichter-3--, vorzugsweise Drehkolben-Verdichter mit Flügelzellenrad mit verdichteter Luft beschickt. Hiezu ist ein Verbindungsrohr zwischen Verdichter und Brennkammer vorgesehen. Ein solcher Verdichter ist beispielsweise in der USA-Patentschrift Nr. 2, 248, 632 dargestellt. Ein Flügelzellenverdichter ist in der Lage, über eine weite Drehzahl einen ununterbrochenen nahezu konstanten Verdichtungsdruck zu erzeugen. Als arbeitleistendes Aggregat ist hinter der Brennkammer ein Motor - über eine Leitung --6-- mit den heissen Brenngasen beaufschlagt. Der Verdichter-Rotor und der
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--18-- zwischen- unterbrochen. Dieses Getriebe kann hydrostatisch betrieben sein.
Es gestattet, durch Verstellen der Übersetzung jeden gewünschten Gasdurchsatz beim Verdichter zu erreichen. Hiezu dient eine dem Stand der Technik entsprechende selbständige temperatur-und verdichtungsdruckabhhängige Steuerung der Verstelleinrichtung-8-des Getriebes über Druck- und Temperaturfühler --9, 10--. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Leistung dieses Aggregates auch in hydraulischer Form abgenommen werden kann. Sie weist aber den Nachteil auf, dass die Drehzahl des Verdichters im Höchstleistungsbereich-bedingt durch das grösste Übersetzungsverhältnis in diesem Bereich-im Verhältnis zur Motordrehzahl niedrig ist.
Bei maximal zulässiger Drehzahl des Motors wird also der Verdichter nur mit verhältnismässig geringer Drehzahl laufen und somit den Luftdurchsatz und entsprechend die Leistung begrenzen. Die bauliche Grösse dieses Aggregates wäre also nicht voll ausgenutzt.
Es wird daher neben der Ausführungsform gemäss Fig. 1 eine weitere gemäss Fig. 2 vorgeschlagen, bei der
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betrieben sind. Bei der Verwendung von vier Einheiten ergibt sich, wie aus den Zeichnungen ersichtlich, bei Parallelschaltung verschieden breiter Einheiten eine genügend grosse Anzahl von Abstufungen des Arbeitsquerschnittes. Hiebei ist zwar keine stufenlose Regelung und somit keine vollkommene Konstanthaltung des Verdichtungsdruckes möglich, aber die Druckschwankungen beim Stufenwechsel können in vernüftigen Grenzen gehalten werden. Das Ein- und Ausschalten der einzelnen Motoreneingänge erfolgt durch magnetisch geschaltete Drosselklappen--15, 16, 17 und 19--. Geringe Undichtigkeiten der Drosselklappen sind ohne Belang-eventuell sogar wünschenswert-, da sie die leer mitlaufenden Rotoren beaufschlagen und einen Hohlsog verhindern.
Die Regelung der Wärmekraftmaschine erfolgt insbesondere über die Zufuhr des Brennstoffes in die Brennkammer. Als Einspritzpumpe --2-- für die Zufuhr von Kraftstoff in die Brennkammer dient beispielsweise eine Reiheneinspritzpumpe mit Leerlauf- und Höchstdrehzahlregelung. Dabei kann eine Vielstoffpumpe vorgesehen werden, da diese die Wärmekraftmaschine praktisch unabhängig von der Kraftstoffart macht. Die Hubkolbenanzahl (d. h. die Anzahl der Pumpenelemente) ist so hoch zu wählen, dass bei Verwendung einer exzentrischen Form der Nockenwelle und äusserlicher Verbindung aller Pumpenelemente mit einer zentralen Einspritzdüse ein weitgehend ununterbrochener Einspritzstrahl entsteht.
Die Fördermenge dieser Pumpe ist abhängig von der Antriebsdrehzahl, in diesem Fall proportional der Verdichterdrehzahl und somit der Leistung des Verdichters. Sie ist auch abhängig von der Regelstangeneinstellung der Pumpe (entspricht der Fördermenge des Einzelhubes) und somit proportional der Brennkammertemperatur. Die Bewegung der Regelstange geschieht durch das Gaspedal und durch die Leerlauf- und Endbegrenzung des Drehzahlreglers der Pumpe. Eine Begrenzung des Regelstangenweges stellt somit eine unmittelbare Begrenzung der Brennkammertemperatur dar. Der Regelstangenweg kann somit unmittelbar zur Steuerungsabtastung der einzelnen Motorstufen verwendet werden. Die elektrische Abtastung ist unter Zwischenschalten einzelner Dioden problemlos möglich.
Hiemit ist der erste Teil der Steuerungsaufgabe erfüllt, nämlich Veränderung des Arbeitsquerschnittes des Aggregatmotors im Verhältnis zur Brennkammertemperatur.
Zu erRillen ist weiterhin die Forderung nach Regelung des Arbeitsquerschnittes zur Konstanthaltung des
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Brennkammerdruckes. Bei Gleichhaltung aller andern Grössen würde eine Verkleinerung des Durchsatzes nachteilig sein, dagegen eine Erhöhung bzw. eine Vergrösserung des Durchsatzes ein Absinken des Brennkammerdruckes bewirken. Durch Eingriff in die vorgenannte Regelstangenabtastung lässt sich auch diese Steuerung durchführen. Hiezu muss der Steuerpunkt der Abtastung durch einen federbelasteten Druckkolben versetzt werden, wobei der Weg des Druckkolbens abhängig vom Brennkammerdruck wäre.
Mit dieser Regelung kann die Forderung nach Konstanthaltung des Brennkammerdruckes über alle Drehzahl- und Lastbereiche erfüllt werden.
Demnach sind die wichtigsten Voraussetzungen erfüllt, nämlich vollständige Verbrennung in einer
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Sie sind dort vollständig beherrschbar, wie bei Flugtriebwerken bekannt ist. Hohe Dauertemperaturen stehen auch im Einlassbereich des Motorgehäuses an, sind aber durch entsprechende Wärmeisolierung in Verbindung mit Teilkühlungen zu beherrschen. Bei allen andern, insbesondere rotierenden Teilen stellen sich nur Mitteltemperaturen ein. Die Flügel des Motor-Rotors werden nach Entspannung des Abgases durch dieses gekühlt. Sie durchlaufen bei einem Umlauf ausserdem eine Spülluftzone.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmekraftmaschine mit Verdichter, der Luft ansaugt und unabhängig von der Belastung des Motors verdichtet in eine temperaturgesteuerte Brennkammer einspeist, in der heisse Brenngase erzeugt werden, die zur
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Arbeitsquerschnitt zugeführt werden.