DE102006019756A1

DE102006019756A1 - Ummanteltes Schaufelwerk mit hybridem kolbenhydraulischem Antrieb

Info

Publication number: DE102006019756A1
Application number: DE200610019756
Authority: DE
Inventors: Oleg Tchebunin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2026-04-29
Also published as: DE102006019756B4

Abstract

Die in der Luftfahrt gebräuchlichen Gasturbinen haben hohe Leistungswerte, aber ungünstige Wirkungsgrade und daher hohen Kraftstoffverbrauch. Der Kolbenmotor ist zu schwer für ein modernes Flugzeug, besonders für Senkrechtstarter. Aber auch bei dem Kolbenmotor können sich weitere Perspektiven öffnen, wenn eine hybride kolbenhydraulische Konstruktion in Freiflugkolbenbauweise entwickelt würde, die eine kompakte und spindelförmige Gestalt hat und sich gut mit Mantelpropeller oder bemänteltem Schaufelwerk in seiner Mitte vereinigt und die ohne den Kurbelwellenmechanismus auskommen könnte. Aber das Problem der ordentlichen Spülung, das bei den Freiflugkolbenmaschinen besteht, ist noch zulösen und die Ungleichmäßigkeit des Hydrodrucks, die bei Kolbenmaschinen mit stoßartigem Charakter des Arbeitsprozesses entsteht, ist zu beheben. Gemäß der konstruktiven Ausführung des ummantelten Schaufelwerks mit hybridem kolbenhydraulischem Antrieb ist das erste Problem durch Anwendung der Festhaltemechanismen gelöst, die die miteinander verbundenen Kolben bei Spülungsstellung in einer Einheit der Kraftmaschine anhalten trotz des Kompressionsluftdruckes in der anderen Einheit wie auch durch zeitgemäßge Einspritzung des Treibstoffes in die Brennkammer der zweiten Einheit, bei der mit Erhöhung des Gasdruckes sich der Kolben befreit und der Arbeitsprozess fortlaufen kann. Durch den Rhythmus von Einspritzungen und der Menge des Treibstoffes kann man auch die Leistung regulieren. Das ...

Description

Zum Betreiben eines ummantelten Schaufelwerks passt am besten eine kolbenartige Kraftmaschine mit kontinuierlichem Arbeitsprozess und großer Drehzahl. Das ermöglicht bei zugleich fast unvermeidlich schwerer Konstruktion und Reduziergetriebe die Entwicklung eines Triebwerks, das wirtschaftlicher und umweltfreundlicher ist im Vergleich zu den Triebwerken mit Gasturbine als Kraftmaschine. Das schafft auch Bedingungen für eine erfolgreichere Bekämpfung von Lärm und Umweltschäden.
Kraftmaschinen mit kolbenartigen und gleichmäßigen Arbeitsprozess bei gleichzeitig hohen Drehzahlen gibt es bereits als angemeldete Patente. Der allseits bekannten Wankelmotor bzw. dessen Modifikationen, (z. b. WO 95/16116 , WO 96/11334 , WO 96/12878 , oder WO 98/49435 ) sowie verschiedene Arten der Rotations- und Kreiskolben-Motoren ( WO 96/23135 , EP 0747586 A1 , WO 96/41934 , WO/41935 , WO 97/10419 , EP 0785348 A1 , WO 97/34078 , DE 43249558 A1 , DE 4324997 A1 , WO 95/05534 , DE 43 35878 A1 , DE 4436822 A1 , WO 95/08055 , WO 96/17161 , WO 96/21096 , WO 99/35382 , WO 99/46494 und andere mehr) stehen mehr oder weniger der Kraftmaschine näher, die gleichmäßig und mit Hochdrehzahlen arbeitet. Diese Projekte sind aber meist nicht gut durchgedacht und haben deshalb bis heute keine große Verwendung als Triebwerke für Flugapparate und auch im sonstigen Verkehrswesen gefunden. Ein großes Manko sind die freien Massenkräfte, die wiederum die Drehzahlen begrenzen oder erhöhte Werte in Sachen Abmessungen und Gewicht zur Folge haben, oder aber sie haben erhöhten Verschleiß an Verdichtungsteilen.
Aber auch der gewöhnliche Kolbenmotor hat noch nicht alle seine Möglichkeiten verbraucht. Weitere Perspektiven öffnen sich mit der Entwicklung der hybriden kolbenhydraulischen Konstruktionen, die eine kompakte und spindelförmliche Gestalt haben und sich gut vereinigen mit Mantelpropeller oder bemänteltem Schaufelwerk, und die ohne den Kurbelwellenmechanismus auskommen können.
Die Idee stellt sich dar als synergetische Verschmelzung der Zylinder- Kolben- Kraftmaschine mit Hydraulik, und das im Besonderen bei dem Hauptelement – dem Kolben. Ein Kolben könnte in einem Motor für beide Medien (Gas und Hydraulikflüssigkeit) Kontakt- und Übertragungselement sein und doch auch beide trennen.
Die Synergie ergibt sich aus der Verbindung der hohen wirtschaftlichen Leistung der Kolbenmotoren mit der hohen Leistungsmasse der Hydrogetriebe bei der Kraftübertragung. Erstens, die unregelmäßige Arbeitsweise wird durch das Hydrogetriebe eingeebnet, zum Zweiten, dient das Hydrogetriebe auch als Reduziergetriebe, und drittens, es entfällt der gesamte Kurbelwellenmechanismus. Dadurch ergibt sich eine hybride kolbenhydraulische Kraftmaschine im Freiflugkolbenbauart, bei der man allerdings auch Maßnahmen zur Regulierung der Arbeitsweise benötigt, d.h. für den Ablauf der Phasen: Ansaugung, Komprimierung, Arbeitsgang und Aussaugung.
Ein Kolbenmotor, in dem der Kurbelwellenmechanismus fehlt, bildet ein System mit Freiflugkolben, die miteinander verbunden sind. Dieses Kolbenmotorart ist aus Patentschriften bekant (s. WO 85/03979 oder DE 3029287 A1 , DE 3327334 ). Aber für das Problem der ordentlichen Spülung der Arbeitskammer in diesen Patentschriften ist keine ordentliche Lösung gefunden.
Bilder 1 und 2 zeigen ein Triebwerk, das aus bemänteltem Schaufelwerk (Mantelpropeller) und einer Kraftmaschine besteht, in dessen Konstruktion die obengenannten Ideen von hybriden kolbenhydraulischen Kraftmaschine seine Widerspiegelung bekam, wie auch das Problem der ordentlichen Spülung der Arbeitskammer seine Lösung gefunden.
Das Triebwerk (s. Bild 1) umfasst ein spindelförmliches Kraftaggregat (3), das die Funktion der Druckquelle erfüllt, und aus beiden ähnlichen, symmetrisch zu den Achsen eingerichteten Einheiten besteht, als auch ein bemänteltes Schaufelwerk mit Zahnradhydromotor in der Nabe, der zwischen beiden Einheiten angeordnet ist.
Eine Weiterentwicklung ist in Bild 2 zu sehen.
Die Kraftmaschine besteht aus den beiden Zylinder (2), den beiden medientrennenden Kolben (4), die mit einer starren Stange (15) verbunden sind, der beiden Basisbuchsen (6) mit festeingebautem Achsenteil (19) und den zum Rotor gehörenden Hydromotor (29). Zu den wichtigsten Teilen gehören auch noch die Dehnbuchsen (8), die Lufteinlassventile (9 und 17) und die Festhaltemechanismen (10).
Beide Basisbuchsen sind durch die feststehende Hydromotorwelle, durch die Achsenteile (19) und die Mantelkonstruktion miteinander verbunden. Der festeingebaute Achsenteil dient als Stütze für die Lager der rotierenden Einheit und als Leitung für die flüssigen Medien. Die beiden Zylinder stehen durch die Dehnbuchsen in Verbindung mit den Basisbuchsen. Sie haben Auslassöffnungen, die in Auspuffkollektoren (7) mit angesetzten Dehnbuchsen (16) münden.
Wände und Boden der Kolben (4) und Basisbuchsen (6) bilden eine Vorverdichtungskammer. Im Boden der Basisbuchsen sind Lufteinlassklappen (20) und Kanäle (21) für flüssige Medien vorgesehen.
In dieser Gestalt erscheint die Kraftmaschine als hydraulischen Freiflugkolbenmotor, der allerdings zusätzlichen Spülphaseregler braucht. Der Festhaltemechanismus (10) besteht aus einer harten Feder, der muss in der Lage sein, dem Kompressionsdruck im gegenliegenden Zylinder zu widerstehen, und einem Kugeleinschnappschloss, der die Feder in zusammengedrücktem Zustand festhält. Die Kugeln können in die Vertiefungen auf der Stange (15), bei deren Vorbeikommen einschnappen und so die Feder lösen zur Weiterarbeit.
Das kinematische Schema siecht vor, dass das Gehäuse des Hydromotors sich um die feststehende Zahnradwelle dreht. Das zum Rotor gehörendes Hydromotorgehäuse (29) ist in die Nabeplattform (14) eingebaut, an der auch das Schaufelwerk (30) befestigt ist. Im Gehäuse ist an der feststehenden Zahnradwelle (19) ein unbewegliches Zahnrad (27) und ein umlaufendes Zahnrad untergebracht, so wie zum Motor gehörende Einlass – und Auslasshydroventile (22), (23), (24), (25).
In der Nabe des Schaufelrades und an seiner Peripherie ist ein Schwingungsdämpfer (nicht näher gezeigt) als auch das Steuersystem für Neigungswinkel der Schaufeln installiert. Das Steuersystem besteht aus dem Kranz von Zahnrädern für das gemeinsame Schwenken der Schaufeln (35), der Schraubenwelle (33) für die Kugelgetriebe, die Bügelmuter (34), den Hydrozylindern (26), den Schlangen und dem Verdichtungspaket (13).
Der Rotor ist durch die Lager mit dem feststehenden Achsenteil (19) verbunden (zentriert) und rotiert um sie. Die Gleitringdichtungen (11) und (13) sorgen für Verdichtung bei dem Wälzlager und bei Übertragungsrinnen der Steuerhydrosysteme.
Zu den weiteren Bedienungselementen gehören Einspritzklappen (1), Zündkerzen und Vorverdichterrad (nicht näher gezeigt).
Die als leerer Raum gezeichnete Fläche(12) könnte für weitere Bedienungseinrichtungen wie Luftfilter, Teile der Hydrotransmission zum nebenstehenden Triebwerk und zur Ersatz-Kraftmaschine, aber auch für die Einspritzpumpe und den Dynamo genutzt werden. Das Schaufelwerk ist nur im Ansatz gezeigt, da seine Gestalt erst durch zusätzliche Berechnungen ermittelt werden muss.
Im Schnitt D-D ist der Querschnitt durch den Hydromotor mit innerer Verzahnung dargestellt.
Der Motor arbeitet als Zweitakter.
Zwischen beiden Köpfen pendelt mit der Frequenz des Arbeitstaktes eine gewisse Menge von Flüssigkeit (ca. 0,5 Liter, wie folgt aus dem Berechnungsbeispiel). Diese Flüssigkeit wird wechselseitig mit den Kolbenwänden (4) aus den Hydroräumen der Dehnbuchsen (8) verdrängt und, geleitet von Druckventilen (22, 23, 24 und 25) von einer Motorhöhle zu anderen, betreibt unterwegs den Hydromotor und dient gleichzeitig als Schmiermittel für alle sich bewegenden Teile. Ein Schwingungsdämpfer, der auch in der Nabe bei der Drucklinie platziert ist, unterstützt den Druck bei Umschaltung der Druckquelle.
Der Arbeitszyklus der Kraftmaschine reguliert sich durch das Zusammenwirken von Einspritzanlagen (3), Festhaltemechanismen (10), Lufteinlassventilen (5) und (9), Druckventilen (22-25), und Dehnbuchsen (8)
Im Bild 7, das Achsschnitt weist, kann man den Arbeitszyklus des Triebwerks und die ganze Fließbahn der Flüssigkeit verfolgen.
Der Arbeitszyklus beginnt mit der Verbrennung der komprimierten Luft – Kraftstoff – Gemischs im Zylinders (2). Dabei verdrängt der medientrennende Kolben (4) die Flüssigkeit aus der Hydrokammer der Büchse (8), und die fließt durch den festen Achsenteil (19) und durch das entsprechende Einlassventil (22) in den Hydromotor (29), wobei sich die Rotationsbewegung des umlaufenden Zahnrades (samt Motorgehäuse) um das unbewegliche Zahnrad (27) vollzieht. Das Auslassventil (26) ist gesperrt.
Anschließend fließt das Medium durch das Auslassventil (24) und wieder durch den zweiten Achsenteil in die hydraulische Kammer im gegenüberliegenden Kopf, folgt dem medientrennenden Kolben, der (verbunden durch die gemeinsame Stange) komprimiert die angesaugte frische Luft. Dabei wird eine neue Portion frische Luft durch den Filter (12) und das Anlassventil (9)in die Vorkammer angesaugt.
Nach der Einspritzung des Kraftstoffes, initiiert durch den Kontakt der Einspritzung mit dem Ventil im Boden des Kolbens, und nach der Zündung beginnt der Arbeitszyklus im zweiten Kopf. In der Endphase der Gasausdehnung, wenn der Kolben (4) fast unten ist, öffnen sich die Auslassschlitze in den Zylinderwänden, und unter Beihilfe der in Vorverdichtungskammer komprimierten Luft beginnt Prozess der Abspülung. Vorher schon spricht der Festhaltemechanismus (10) durch das Kugeleinschnappschloss an. Seine Feder zieht den Kolben (4) am Heckteil des Ventilsitzes zum Boden der hydraulischen Kammer (6) und hält ihn in dieser Lage zurück, um die Spülphase zu verlängern. Das Ende der Spülfase und Freisetzung des Kolbens beginnt mit Beginn der Arbeitsphase im gegenüberliegenden Kopf (dafür sorgt die gemeinsame Stange 15). Mit dem Beginn dieser Bewegung spannt sich die Feder erneut bis die Kugeln durch ihre Ausweichen in die Einkerbungen die Feder in dieser Stellung fixieren.
Eine wichtige Rolle spielen dabei die beiden Dehnbuchsen (8). Sie ebnen den Druck in der Hydrokammer, dämpfen die kinetische Energie der Kolben und Medium und liefern dem Motor Energie in der Übergangsphase, wenn die Zylinder ausgespült werden müssen, in dem sie die akkumulierte Energie bei Anhalten der Kolben (vor Richtungswechsel) abgeben.
Außerdem dehnen sich die Dehnbüchsen aus und versetzen dabei die Masse der Köpfe in die Gegenrichtung der Kolben – und Mediumbewegung und dienen damit dem Massenausgleich.
Die gemeinsame Stange bewegt sich zusammen mit dem Medium und mindert dabei den hydraulischen Widerstand. Durch die Gegenwirkung der beiden Dehnbuchsen bewegt sich das Medium wie ein fester Körper, es entsteht keine Kavitation die zu einem Hydroschlag führen könnte.
Für das Anlassen der Maschine sorgt das autonome Druckluft- und Einspritzsystem. Die Abkühlung der Maschinenköpfe stellt kein Problem dar, denn sie sind ständig dem Luftstrom ausgesetzt.
Zum Nachweis, dass so ein Antrieb einen Senkrechtstarter mit einem Annahmestartgewicht tatsächlich betreiben kann, und dabei zum Abmessungen und Gewicht des Antriebes zu kommen, hat Autor eine Beispielberechnung gefertigt. (Material kann man beim Autor anfordern) Für einen Senkrechtstarter mit vorbedingtem Startgewicht m = 1000 kg, mit zwei Triebwerken mit einem Durchmesser der bemäntelten Schaufelwerke D = 1,2 m und Leistungsreserve K = 1,3 lässt sich errechnen:

– für den Senkrechtstart erforderlicher Schub jedes der beiden Triebwerke beträgt F₀ = 6370 N;
– bei der Annahme eines Standgütergrades η₀ = 0,75 für einen 8–12 Blattpropeller erforderliche Leistung jedes Triebwerks beträgt P_W,O = 144000 W;
– bei der Annahme, dass die Drehzahl n₀ = 3500 l/min (der Grenzwert für einen Hydromotor mit innerer Verzahnung), Drehmoment auf die Motorwelle betragt M_w,o = 393 Nm;
– die Parameter des Hydromotors betragen: m = 0,008 m; Zähnezahlen z₁ = 10, z₂ = –11; Betriebswälzkreisdurchmesser d_W1 = 0,08 m; d_W2 = –0,088 m; Außendurchmesser d_α1 = 0,096 m; d_α2 = –0,072 m; Zahnlänge b = 0,103 (m);
– Verdrängungsvolumen bei Δp = 60 (bar) V_Hz = 0,000405 m³;
– theoretischen Förderstrom V*_th = 0,0236 m³;
– Motorhubvolumen V_H2z = 0,0047 m³;
– Parameter den gemeinsamen Kolben: S/D = 0,6: äußeren Durchmesser D = 0,171 m; inneren Durchmesser d = 0,1579 m.

Mit Hinblick auf den Kolbendurchmesser D = 0,19m ist der Durchmesser des spindelförmigen Körpers D_M = 0,3 m und die Länge L = 1 m.
Bei dem spezifischen Gewicht der Konstruktion (Annahme) γ = 2 kg/L beträgt das Gewicht der Kraftmaschine G_M = 141 kg.
Die Leistung/Bauvolum-Relation
übertrifft bei weitem den Kennwert für die Kolbenmotoren (bis 200 kW/m³ beim Kolbenmotor, bis 8000 kW/m³ bei der Gasturbine).
[Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 17 Auflage, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 1990, s P72, R85]
Ausgehend von diesen Berechnungen könnten zwei Kolbenhydromotoren mit einem Gesamtgewicht von ca. 280 kg den Flugapparat mit einem Startgewicht von 1000 kg und einer Schubreserve von 30% senkrecht starten lassen.
Diese Resultate erlauben uns zu behaupten, dass die beschriebenen Kolbenhydromotoren geeignet sind für Verwendung in Mantelluftstromtriebwerk für den Antrieb kleiner Senkrechtstarter. Sie haben mehrfach größere Leistung/Gewichts Charakteristiken als herkömmliche Kolbenmotoren. Hier hat man mit bekannten Herstellungstechnologien von Kolben- und Hydromotoren zu tun
Dabei läst sich auch eine hydraulische Verbindung zu anderen Triebwerken oder Ersatztriebwerken herstellen, was von großer Bedeutung für die Sicherheit des Flugapparates ist. Als ersten Experimentalprototyp sollte man die Kraftmaschine ohne das ummantelte Schaufelwerk bauen. Dies würde die Konstruktion sehr vereinfachen – ohne rotierende Teile, Lager und deren Dichtungen. Dieser Prototyp kann in jedem Maschinenwerk gebaut werden und zur Erprobung unter Belastung gestellt werden.

Claims

Antriebsanlage für Flugzeuge, die aus dem Mantelpropeller oder Gebläse (1, 2, s. Bild 1) und der Kraftmaschine für ihren Vortrieb besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse mit dem hydraulischen Motor in der Nabe in der Mitte des Kraftmaschine angeordnet ist, und die Kraftmaschine ein hybrider kolbenhydraulischer Motor im Freiflugkolbenbauweise (3) als Druckquelle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Kraftmaschine, die mit einem Zweitaktprozess arbeitet und aus zwei symmetrischen Einheiten besteht, und die in ihrem Bestand zwei Zylinder (2, s. Bild 2), zwei medientrennende miteinander durch eine Stange (15) verbundene Kolben (4), zwei Vorverdichtungskammern und alle üblichen, für kolbenhydraulische Maschinen notwendigen Einrichtungen hat, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen, zwischen beiden kolbenhydraulischen Einheiten angeordneten Zahnradmotor (29) hat, der mit Druckstrom angetrieben ist, der wechselweise von beiden kolbenhydraulischen Einheiten bei Kolbenarbeitstakt erzeugt wird, und der in den Hydromotor durch eine unbewegliche hohle Welle fliest, die beide Einheiten verbindet, und um die, auf Axiallager gestützt, das Gebläserad rotiert.
Vorrichtung nach Anspruche 1, 2 dadurch gekennzeichnet, dass hydraulischen Zahnradmotor ein an der unbeweglichen hohlen Welle befestigtes Zahnrad (Kitzel bei Innenzahnradmotor) hat, und ein umlaufendes Zahnrad (Hohlrad bei Innenzahnradmotor), das zusammen rotiert mit dem Gehäuse um die unbewegliche hohle Welle, die als Nabenplattformteil des Gebläserades eingerichtet ist, infolge dessen die Leitungslänge und zwischen den Einheiten pendelnde Flüssigkeitsmenge minimal für alle möglichen Varianten der Hydrogetriebe ist.
Vorrichtung nach Anspruche 1, 2, 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnbuchsen (8) die Außenwände der hydraulischen Kammern bilden sowie die Zylinder (2) mit Basisbuchsen (6) verbinden, und die Funktion des Druckausgleiches erfühlen, die kinetische Energie der Kolben und Flussmedien dämpfen und den Druck bei Anhalten den Kolben in der Übergangsphase unterstutzen, indem sie die eingesparte Energie abgeben und sie in nützliche Arbeit verwandeln.
Vorrichtung nach Anspruche 1, 2, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Schwingungsdämpfer, der mit dem Druckraum des Motors verbunden ist, wie auch bei Bedarf die hydraulischen (18, 26) und mechanische Elemente des Schaufeleinstellsystems (33, 34, 35) in der Nabenplattform des Gebläses eingebaut sind.
Vorrichtung nach Anspruche 1, 2, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, dass unter Druckerhöhung dehnen sich die Dehnbuchsen aus und versetzen dabei die Masse der Zylinder in Gegenrichtung der Kolben – und Mediumbewegung und dienen damit dem Massenausgleich.
Vorrichtung nach Anspruche 1, 2, dadurch gekennzeichnet, dass hier die Probleme der Spülungsphase, die beim Freiflugkolbenmotor kritisch sind, eine günstige Lösung findet durch die hier eingesetzten Festhaltemechanismen (10), wodurch die Kugelschnappschlösser und mächtige Feder der Festhaltemechanismen bei arbeitender Kraftmaschine die anlaufenden Kolben (4) an der Verbundstange (15) aufhalten und diese weiter im Richtung des unteren Totpunktes schieben, und so anhalten sie damit Kolben bei Spülungsstellung in einer Einheit der Kraftmaschine trotz dem Kompressionsluftdruck in zweiter Einheit.
Vorrichtung nach Anspruche 1, 2, 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Treibstoffeinspritzungen und Gasdruckerhöhung im ersten Zylinder der Kraftmaschine befreit sich der Kolben aus dem Halt auch im zweiten Zylinder, wobei man kann durch den Rhythmus von Einspritzungen und der Menge des Triebstoffes die Dauer von Spülungsphase und die Leistung regulieren.
Vorrichtung nach Anspruche 1, 2, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem, im Bild 2 dargestellten Ausführungsvariante weitere Merkmahle sowie Vorteile ergibt, darunter von den Einzelelementen ausgeübte Vereinigung der Funktionen, die wesentliche Einsparungen im Bauvolumen und Gewicht mit sich bringen und geben der Kraftmaschine eine kompakte und spindelförmige Gestalt, wodurch im Zusammenspiel mit einem passenden Gebläse ein Triebwerk für Luftfahrt entsteht, der kraft seinen kolbenartigen Arbeitsprozess wesentlich wirtschaftlich dastehen könnte, als herkömmlicher Triebwerke mit einem Turboaggregat als Kraftmaschine.