DE102007042300A1

DE102007042300A1 - Turbolader für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102007042300A1
Application number: DE102007042300A
Authority: DE
Inventors: Andrei Tristan Evulet
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2008-03-27
Also published as: JP2008069777A; RU2007133597A; KR20080023189A; US20080060355A1; US8171732B2; RU2455506C2

Abstract

Es wird ein Gerät (192) zur Verfügung gestellt. Das Gerät (192) umfasst einen Einlassverteiler (200), um einen Abgasstrom (202) in das Gerät (192) zu leiten, einen Lufteinlass (204), um einen Luftstrom (206) in das Gerät (192) einzuführen, und zumindest eine Oberfläche des Gerätes (192) mit einem Coanda-Profil, um einströmende Luft (206) durch den Abgasstrom (202) mitzuziehen, um einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom (208) zu erzeugen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich generell auf Energieextraktionsanlagen und im Besonderen auf ein Gerät zur Steigerung der Effizienz einer Energieextraktionsanlage.
Es sind unterschiedliche Typen von Energieextraktionsanlagen sind bekannt und in Gebrauch. Beispielsweise entziehen Gasturbinen dem Verbrennungsgasstrom Energie und werden benutzt für Anwendungen wie Energieerzeugung, Schiffsantriebe, Gasverdichtung, Kraft-Wärme-Kopplung, Stromversorgung von Off-shore-Plattformen und so weiter. Auf ähnliche Weise wandeln Windkraftanlagen kinetische Windenergie für Anwendungen wie beispielsweise Energieerzeugung in mechanische Arbeit um. Ferner erzeugen Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen Energie zum Antreiben des Fahrzeugs.
Bestimmte Energieextraktionsanlagen nutzen den Brayton-Zyklus, wobei Luft durch einen Verdichter verdichtet wird und die verdichtete Luft mit einem Treibstoff in einer Brennkammer verbrannt wird. Ferner werden Heißgase aus der Brennkammer oder aus einer Reihe von Brennkammern ausgedehnt, um mechanische Arbeit zu erzeugen. Typischerweise dehnen auf dem Brayton-Zyklus basierende Anlagen Heißgase durch die Turbinen aus und jegliche Restwärme geht an die Umgebung verloren, ohne genutzt zu werden. In bestimmten Anlagen werden große, kostspielige Rekuperatoren für die Rückgewinnung der Restwärme eingesetzt. Es ist jedoch in kleine ren Anlagen relativ kostspielig, derartige Rekuperatoren zur Rückgewinnung dieser Wärme einzusetzen.
Dementsprechend besteht Bedarf an einer hocheffizienten Energieextraktionsanlage mit im Wesentlichen geringen Wärmeabgabeverlusten. Ferner wäre es wünschenswert, ein Gerät zur Verfügung zu stellen, das in existierende Energieextraktionsanlagen integriert werden kann, um die Wärmeverluste derartiger Anlagen zu minimieren und ihre Effizienz zu steigern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend einer Ausführungsform wird ein solches Gerät geschaffen. Das Gerät umfasst einen Einlassverteiler, der einen Abgasstrom in das Gerät leitet, einen Lufteinlass, der einen Luftstrom in das Gerät leitet, und zumindest eine Geräteoberfläche mit einem Coanda-Profil zum Mitziehen der einströmenden Luft durch den Abgasstrom, um einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom zu erzeugen.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Turbolader für ein Fahrzeug geschaffen. Der Turbolader umfasst einen Verdichter zum Verdichten eines einströmenden Luftstroms und eine Turbine zum Ausdehnen der Abgase eines Verbrennungsmotors, um eine Welle zu drehen. Der Turbolader enthält auch ein mit der Turbine verbundenes Gerät zum Mitziehen einströmender Luft durch die Abgase, um durch einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom mechanische Arbeit zu erzeugen. Das Gerät hat zumindest eine Oberfläche mit einem Coanda-Profil, wobei das Coanda-Profil so eingerichtet ist, dass es die Bindung der Abgase an das Profil ermöglicht, um eine Grenzschicht zu bilden und die einströmende Luft mitzuziehen, um den Hochgeschwindigkeitsluftstrom zu erzeugen.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Hybridfahrzeug geschaffen. Das Fahrzeug weist einen Verbrennungsmotor und einen mit dem Verbrennungsmotor gekoppelten Turbolader auf. Der Turbolader weist eine Turbine zum Ausdehnen der Abgase des Verbrennungsmotors, um mechanische Arbeit zu erzeugen, und ein mit der Turbine verbundenes Gerät zum Einführen von Abgasen entlang einem Coanda-Profil auf, um einströmende Luft mitzuziehen, zwecks Erzeugung von mechanischer Arbeit durch einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom. Das Fahrzeug umfasst auch einen elektrischen Generator zum Erzeugen von elektrischer Leistung aus der mechanischen Arbeit und eine wieder aufladbare Energiespeicheranlage zur Speicherung der elektrischen Leistung, um einen Elektromotor des Fahrzeugs anzutreiben.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren für den Betrieb eines Hybridfahrzeugs geschaffen. Das Verfahren beinhaltet den Betrieb eines Verbrennungsmotors, um das Fahrzeug in einer ersten Betriebsart anzutreiben, und das Einführen von Abgasen aus dem Verbrennungsmotor über ein Coanda-Profil, um einen zusätzlichen Luftstrom mitzuziehen, um mechanische Arbeit durch einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom zu erzeugen. Das Verfahren umfasst auch die Erzeugung von elektrischer Leistung aus der mechanischen Arbeit, um das Fahrzeug in einer zweiten Betriebsart anzutreiben.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Diese und andere Eigenschaften, Aspekte und Vorzüge der vor liegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die begleitenden Figuren gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen durchweg gleiche Teile bezeichnen.
1 ist eine schematische Darstellung einer Energieextraktionsanlage mit einem Gerät zur Wärmerückgewinnung aus der Anlage in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens.
2 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Konfiguration des Gerätes aus 1 in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens.
3 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Konfiguration einer Windturbinenanlage mit dem Gerät aus 2 in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens.
4 ist eine schematische Darstellung einer Gasturbine mit einem Gerät für die Wärmerückgewinnung aus Turbinenabgasen in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens.
5 ist eine schematische Darstellung einer Turbinenscheibe mit dem in der Gasturbine aus 4 verwendeten Gerät in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens.
6 ist eine schematische Darstellung des in der Turbinenscheibe aus 5 verwendeten Gerätes in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens.
7 ist eine schematische Darstellung von Luft- und Abgasströmungsprofilen in dem Gerät aus 6 in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens.
8 ist eine schematische Darstellung der Bildung einer Grenzschicht, die einem Profil in dem Gerät aus 6 benachbart ist, basierend auf einem Coanda-Effekt, in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens.
9 ist eine schematische Darstellung eines Hybridfahrzeugs mit einem Gerät für die Wärmerückgewinnung aus einem Verbrennungsmotor in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens.
10 ist eine schematische Darstellung des in dem Hybridfahrzeug aus 9 verwendeten Gerätes in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wie oben detailliert erörtert, bewirken Ausführungsformen des vorliegenden Verfahrens eine Steigerung der Effizienz von bestimmten Energieextraktionsanlagen, wie beispielsweise Gasturbinen- und Windkraftanlagen, durch Minimierung der Wärmeverluste aus diesen Anlagen. Insbesondere nutzt das vorliegende Verfahren die Kombination von Arbeitsfluid und Außenluft zur Erzeugung von mechanischer Arbeit und Energie. Wenden wir uns nun den Figuren zu und beziehen wir uns zuerst auf 1: dargestellt ist eine Energieextraktionsanlage 10 mit einem Gerät 12 für die Wärmerückgewinnung aus der Anlage 10. In der dargestellten Ausführungsform ist das Gerät 12 eingerichtet für die Aufnahme einer Druckströmung 14 von der Energieextraktionsanlage 10 und für das Einführen der Druckströmung entlang einem Coanda-Profil des Gerätes 12. Der Terminus „Coanda-Profil" bezieht sich hier auf ein Profil, das die Bindung eines Fluidstroms an eine nahe gelegene Oberfläche ermöglicht und das es dem Fluidstrom ebenfalls ermöglicht, auch dann an die Oberfläche gebunden zu bleiben, wenn sie sich von der ursprünglichen Richtung der Fluidbewegung wegkrümmt.
Im Betriebszustand ermöglicht das Coanda-Profil die Bindung der Druckströmung 14 an das Profil, mit dem Ergebnis, dass eine Grenzschicht derart gebildet wird, dass sie einen zusätzlichen Fluidstrom 16 mitzieht, um einen Hochgeschwindigkeitsfluidstrom 18 zu erzeugen. In einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Druckströmung Abgas und der zusätzliche Fluidstrom enthält einen Luftstrom. Ferner kann der Hochgeschwindigkeitsfluidstrom 18 durch einen strömungstechnisch mit dem Gerät 12 verbundenen Strömungspfad zu einer Endverbrauchsanlage 20 geleitet werden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Gerät 12 mit einer Gasturbinenanlage verbunden und so eingerichtet, dass es durch den Hochgeschwindigkeitsfluidstrom 18 mechanische Arbeit erzeugt. In einer anderen Ausführungsform ist das Gerät 12 mit einem Turbolader verbunden und so eingerichtet, dass es die Effizienz eines Verbrennungsmotors in einem Fahrzeug steigert. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das Gerät 12 mit einer Windkraftanlage verbunden und für die Erzeugung von elektrischer Energie durch den Hochgeschwindigkeitsfluidstrom 18 eingerichtet. Ferner kann in einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Hochgeschwindigkeitsfluidstrom 18 zum Antreiben eines Fahrgeschäftes in ei nem Vergnügungspark genutzt werden. Wie oben beschrieben, verwendet das Gerät 12 ein Coanda-Profil und nutzt den Fluiddruckstrom 14, wie beispielsweise ein Abgas aus der Energieextraktionsanlage 10, um einen zusätzlichen Fluidstrom 16 mitzuziehen, wie beispielsweise einen Luftstrom, um den Hochgeschwindigkeitsfluidstom 18 zu erzeugen. Ferner kann der Hochgeschwindigkeitsfluidstrom 18 genutzt werden, um zusätzliche mechanische Arbeit oder elektrische Leistung aus der Energieextraktionsanlage 10 zu erzeugen, oder er kann zur Weiterverwendung zu einer anderen Endverbrauchsanlage 20 geleitet werden, wie unten mit Bezug auf die 2–10 beschrieben.
2 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Konfiguration 50 des Gerätes 12 aus 1 in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens. Wie dargestellt, enthält das Gerät 50 einen Kamin 52, der ein Primärfluid, wie beispielsweise Abgas, aus einer Anlage aufnimmt. In dieser Ausführung enthält zumindest eine Oberfläche des Kamins 52 ein Coanda-Profil 54, das die Bindung des Abgases an das Profil 54 ermöglicht. In einer beispielhaften Ausführungsform enthält das Coanda-Profil 54 ein logarithmisches Profil. Im Betriebszustand wird eine Primärfluid-Druckströmung, wie beispielsweise Abgas, aus einem Hohlraum 56, entlang dem Coanda-Profil 54 eingeführt, wie durch das Bezugszeichen 58 dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform kann das Primärfluid über einen Kanal 60 dem Hohlraum 56 zugeführt werden. Beispielsweise kann Abgas einer Gasturbine dem Hohlraum 56 durch den Kanal 60 zugeführt werden. Ferner umfasst der Kamin 52 einen Einlass 62 zum Einführen eines sekundären Fluidstroms, wie beispielsweise eines Luftstroms, in den Kamin. In bestimmten Ausführungsfor men enthält der Einlass 62 einen Filter 64 zum Filtern des einströmenden Luftstroms, bevor dieser in den Kamin 52 eingeführt wird.
Im Betriebszustand zieht das Druckabgas 58 den Luftstrom 66 mit, um einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom 68 zu erzeugen. Insbesondere ermöglicht das Coanda-Profil 54 eine relativ schnelle Mischung des Druckabgases 58 mit dem mitgezogenen Luftstrom 66 und erzeugt den Hochgeschwindigkeitsluftstrom 68 durch Übertragung des Kraftimpulses vom Druckabgas 58 auf den Luftstrom 68. Es ist zu beachten, dass die Geometrie des Kamins 52 so gestaltet werden kann, dass eine gewünschte Geschwindigkeit des Stroms 68 erreicht wird. Ferner kann der Hochgeschwindigkeitsluftstrom 68 zur Erzeugung von mechanischer Arbeit genutzt werden. In der dargestellten Ausführungsform wird im Kamin 52 eine Vielzahl von Gebläsen 70 verwendet, um durch den Hochgeschwindigkeitsluftstrom 68 Arbeit zu entziehen. In bestimmten anderen Ausführungsformen kann der Hochgeschwindigkeitsluftstrom 68 dazu bestimmt sein, die Effizienz einer anderen Anlage durch die Erzeugung von mechanischer Arbeit oder elektrischer Leistung zu steigern.
3 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Konfiguration einer Windkraftanlage 80 mit dem Gerät 50 aus 2 in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens. In der dargestellten Ausführungsform enthält das Gerät 50 das Coanda-Profil 54, das die Bindung des Abgases 58 an das Profil 54 ermöglicht, so dass eine Grenzschicht für das Mitziehen des einströmenden Luftstroms 66 gebildet wird, um den Hochgeschwindigkeitsluftstrom 68 aus dem Gerät 50 zu erzeugen, der zu einer Windkraftturbine 82 weiterge leitet wird. In dieser beispielhaften Ausführungsform enthält das Abgas 58 von einer Gasturbine (nicht dargestellt) erzeugtes Abgas.
Die Windkraftanlage 80 umfasst einen Rotor 84 mit mehreren an einer Nabe 88 montierten Flügeln, wie durch das Bezugszeichen 86 dargestellt. Die Windkraftanlage 80 umfasst auch ein auf einem Turm 92 montiertes Maschinenhaus 90. Der Rotor 84 ist über ein im Maschinenhaus 90 untergebrachtes Getriebe (nicht dargestellt) antreibend verbunden mit einem elektrischen Generator 94. Der Turm setzt die Schaufeln 86 dem Hochgeschwindigkeitswindstrom 68 aus, der vom Kamin 52 erzeugt wird, was bewirkt, dass die Schaufeln 86 um eine Achse 96 rotieren. Die Schaufeln 86 wandeln die kinetische Windenergie in ein Drehmoment um, das durch den elektrischen Generator 94 in elektrische Leistung umgewandelt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform beträgt die Geschwindigkeit des vom Kamin 52 erzeugten Hochgeschwindigkeitswindes 68 über 100 Stundenkilometer und ist so abgestimmt, dass sie die Effizienz des Energieentzuges für einen gegebenen Rotorüberstreichungsbereich, eine gegebene Abgasdurchflussmenge und eine gegebene Entrainment-Rate maximiert. In bestimmten Ausführungsformen kann die Windkraftanlage 80 eine Vielzahl von Geräten 50 enthalten, um den gewünschten Windstrom zum Antreiben der Windkraftturbine 82 zu erzeugen.
4 ist eine schematische Darstellung einer Gasturbine 110 mit einem Gerät 112 für die Wärmerückgewinnung aus Abgasen der Gasturbine 110 in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens. Die Gasturbine 110 enthält einen Verdichter 114 für die Verdichtung von Außenluft. Eine Brennkammer 116 ist strömungstechnisch verbunden mit dem Verdichter 114 und für die Aufnahme von verdichteter Luft vom Verdichter 114 und die Verbrennung eines Treibstoffstroms eingerichtet, um einen Brennkammerausgangsstrom zu erzeugen. Zusätzlich umfasst die Gasturbine 110 eine stromab von der Brennkammer 116 angeordnete Turbine 118. Die Turbine 118 sorgt für die Ausdehnung des Brennkammerausgangsgasstroms, um eine externe Last anzutreiben. In der dargestellten Ausführungsform wird der Verdichter 114 über eine Welle 120 von der durch die Turbine 118 erzeugten Energie angetrieben.
Im Betriebszustand erzeugen der Treibstoffstrom und die Luft Abgase, sobald sie in der Brennkammer 116 bei einer gewünschten Temperatur und dem gewünschten Druck verbrannt werden. Die erzeugten Abgase werden dann zum Gerät 112 geleitet, das mit der Turbine 118 verbunden ist. In der dargestellten Ausführungsform bildet das Gerät 112 eine Grenzschicht und zieht durch die Abgase einen zusätzlichen Luftstrom mit, um mechanische Arbeit durch einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom zu erzeugen. Insbesondere bildet die mitgezogene Luft mit der Grenzschicht eine Scherschicht, um die Luft in einem konvergierenden Abschnitt des Gerätes 112 zu beschleunigen und die Vermischung von Grenzschicht und einströmender Luft zu ermöglichen, zwecks Erzeugung des Hochgeschwindigkeitsluftstroms in einem divergenten Abschnitt des Gerätes 112. Ferner erzeugt der divergente Abschnitt des Gerätes 112 einen Schub durch die Druckkräfte, die das Ergebnis der Interaktion zwischen den Abgasen und der mitgezogenen Luft sind. Der Betrieb des mit der Turbine 118 verbundenen Gerätes 112 wird unten mit Bezug auf die 5–8 detailliert beschrieben.
5 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Konfiguration 130 einer Turbinenscheibe 132, die in der Gasturbine 110 aus 4 verwendet wird, in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens. In der dargestellten Ausführungsform sind eine Vielzahl von Geräten 134 an der Peripherie der Turbinenscheibe 132 angeordnet und so eingerichtet, dass sie die Effizienz der Gasturbine 110 durch die Verwendung von in der Brennkammer 116 erzeugten Abgasen steigern (s. 4). Genauer gesagt, ist die Vielzahl von Geräten 134 so eingerichtet, dass sie die Turbinenscheibe 132 durch das Mitziehen von Luft – durch die Abgase der Brennkammer 116 fluidisch angetrieben – beschleunigen. Die Abgase eines Zentrums 136 der Turbinenscheibe 132 werden zu jedem aus der Vielzahl von Geräten 134 mittels einer Vielzahl von radialen Kanälen 138 geleitet. Insbesondere ist die Vielzahl von radialen Kanälen 138 so eingerichtet, dass diese Kanäle die Abgase vom Zentrum 136 in einzelne Hohlräume (nicht dargestellt) der Vielzahl von Geräten 134 leiten. In bestimmten Ausführungsformen wird eine Vielzahl von Schlitzen (nicht dargestellt) verwendet, um die Abgase aus den einzelnen Hohlräumen über ein Coanda-Profil in die Vielzahl der Geräte 134 zu leiten. Vorteilhafterweise begünstigt das Einführen der Heißgase über die Schlitze in Richtung auf die Innenseite der Geräte 134 einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom, der in einer Richtung tangential zum Coanda-Profil in das Gerät 134 eingeführt wird.
Zusätzlich nimmt die Turbinenscheibe 132 durch einen Lufteinlass 140 einen Luftstrom auf, der zu einem Einlass 142 von jedem aus der Vielzahl von Geräten 134 geleitet wird. Wie oben beschrieben ermöglichen die in einer Vielzahl vorhandenen Geräte 134 die Bindung der Abgase an ein Coanda- Profil der Geräte 134, was dazu dient, eine Grenzschicht zu bilden, und die vom Einlass 142 einströmende Luft mitzuziehen, um einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom in einem divergenten Abschnitt des Gerätes 134 zu erzeugen, der durch einen Auslass 144 des Gerätes 134 ausgelassen wird. In bestimmten Ausführungsformen liegt das Verhältnis der vom Gerät 134 mitgezogenen Luftmasse und der Abgasmasse zwischen ungefähr 5 und ungefähr 22. Es ist zu beachten, dass der divergente Abschnitt des Gerätes 134 aus den Druckkräften Schub erzeugt, was ein Ergebnis der Interaktion von Heißgasen und Luft ist. Als Ergebnis dreht die von den Geräten 134 erzeugte Drehkraft die Turbinenscheibe 132 und aus der Rotation der Turbinenscheibe 132 kann über eine Welle mechanische Arbeit entzogen werden. Ferner werden die Abgase der Turbinenscheibe 132 über einen Auslass 146 nach außen ausgelassen.
In bestimmten Ausführungsformen kann ein elektrischer Generator (nicht dargestellt) mit der Gasturbine 110 verbunden sein, zwecks Erzeugung von elektrischer Leistung aus der mechanischen Arbeit. Ferner kann in bestimmten anderen Ausführungsformen ein Pulsstrahlgerät (nicht dargestellt) zum Einsatz kommen, um den antreibenden Abgasstrom für das Mitziehen und Beschleunigen von Pulsen einströmender Luft über das Coanda-Profil zu erzeugen. In einer beispielhaften Ausführungsform empfängt die Turbinenscheibe 132 Heißgase von der Turbine 118 (s. 4), die den Verdichter 114 antreibt (s. 4), und der Treibstoff kann in einer Zwischenbrennkammer im Zentrum der Turbinenscheibe 132 hinzugefügt werden. Der Verbrennungsprozess erzeugt Gase, die durch die Geräte 134 ausgedehnt und in die Außenumgebung ausgelassen werden, wodurch die Turbinenscheibe 132 angetrieben wird. Die durch die Turbinenscheibe 132 erzeugte mechanische Arbeit kann durch eine Welle entzogen werden.
6 ist eine schematische Darstellung des in der Turbinenscheibe 130 verwendeten Gerätes 134 aus 5 in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens. In der dargestellten Ausführungsform werden Abgase aus der Brennkammer 116 (s. 4) über ein Coanda-Profil 150 eingeführt, wie durch das Bezugszeichen 152 dargestellt. Das Coanda-Profil 150 ermöglicht die Bindung der Abgase 152 an das Profil, um eine Grenzschicht zu bilden und zieht die einströmende Luft 154 mit, um einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom 156 zu erzeugen. In dieser beispielhaften Ausführungsform enthält das Coanda-Profil 150 ein logarithmisches Profil. Das Coanda-Profil 150 ermöglicht das Mitziehen von Luft 154, um einen kreisförmigen Hochgeschwindigkeitsstrom aus zusammenhängenden oder einzelnen, sich schnell vermischenden Grenzschichten, als Strahle zu bilden. In einigen Ausführungsformen unterliegen die Heißgase einer Rotation von ungefähr 90° und ziehen eine Luftmasse von der 5- bis 22fachen Masse der Heißgase mit. Zusätzlich bildet die mitgezogene Luft 154 eine turbulente Scherschicht mit der Grenzschicht, um die Luft in einem konvergierenden Abschnitt des Gerätes 134 zu beschleunigen und die Vermischung von Grenzschicht und einströmender Luft 154 zu ermöglichen, um den Hochgeschwindigkeitsluftstrom 156 in einem divergierenden Abschnitt 158 zu erzeugen. Als Ergebnis erzeugt der Hochgeschwindigkeitsluftstrom 156 Schub 160 und schiebt das Gerät 134 in die entgegengesetzte Richtung. Die Bildung der Grenzschicht und der Scherschicht zur Erzeugung des Hochgeschwindigkeitsluftstroms 156 werden unten mit Bezug auf die 7–8 detailliert beschrieben.
7 ist eine schematische Darstellung von Strömungsprofilen 170 von Luft und Abgasen in dem Gerät 134 aus 6 in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens. Wie dargestellt, werden Abgase 172 in das Gerät 134 (s. 6) und über ein Coanda-Profil 174 geleitet. In der dargestellten Ausführungsform werden die Abgase 172 in das Gerät 134 mit im Wesentlichen hoher Geschwindigkeit eingeführt. Im Betriebszustand ermöglicht das Coanda-Profil 174 die Bindung der Abgase 172 an das Profil 174, zwecks Bildung einer Grenzschicht 176. In dieser Ausführungsform sind die Geometrie und die Dimensionierung des Profils 174 optimiert, um die gewünschte Effizienz zu erreichen. Ferner wird ein hereinströmender Luftstrom 178 von der Grenzschicht 176 mitgezogen, um eine Scherschicht 180 mit der Grenzschicht 176 zu bilden und die Vermischung der hereinströmenden Luft 178 und der Abgase 172 zu fördern. Es ist zu beachten, dass die Vermischung der Luft 178 mit den Abgasen 172 in Abhängigkeit vom Anwachsen der Grenzschicht 176 stromab vom Ort ihrer Einführung und auf Grund eines geeigneten Druckgradienten verstärkt wird. Daher ermöglicht die Scherschicht 180, die durch das Anwachsen der Grenzschicht 176 und deren Vermischung mit der mitgezogenen Luft 178 gebildet wird, die schnelle Bildung eines einheitlichen Gemisches in dem Gerät 134. Die Bindung des Abgases 172 an das Coanda-Profil 174 auf Grund des Coanda-Effektes in dem Gerät 134 wird unten mit Bezug auf 8 detailliert beschrieben.
8 ist eine schematische Darstellung der Bildung der Grenzschicht 176, die, basierend auf dem Coanda-Effekt, durch das Einführen des Abgases an einer einzelnen Stelle neben dem Profil 174, in dem Gerät 134 aus 6 erzeugt wird. In der dargestellten Ausführungsform binden sich die an einzelnen Stellen eingeführten Abgase an das Profil 174 und bleiben daran gebunden, auch wenn die Oberfläche des Profils 174 sich von der ursprünglichen Richtung des Treibstoffstroms wegkrümmt. Genauer gesagt, da die Abgase 172 beschleunigt werden, um die Kraftimpulsübertragung auszugleichen, gibt es einen Druckunterschied quer durch den Strom, der die Abgase 172 ablenkt, die sich näher bei der Oberfläche des Profils 174 befinden. Für Fachleute ist ersichtlich, dass, während die Abgase 172 sich über das Profil 174 bewegen, in einem gewissen Ausmaß Oberflächenreibung zwischen den Abgasen 172 und dem Profil 174 auftritt. Dieser Widerstand gegenüber der Strömung 172 lenkt die Abgase 172 in Richtung auf das Profil 174 ab und bewirkt so, dass sie mit dem Profil 174 verbunden bleiben. Ferner zieht die durch diesen Mechanismus gebildete Grenzschicht 176 den hereinströmenden Luftstrom 178 mit, so dass eine Scherschicht 180 mit der Grenzschicht 176 gebildet wird, um die Vermischung des Luftstroms 178 und der Abgase 172 zu fördern. Daher erzeugt die Injektion von Abgasen 172 durch einen umlaufenden Schlitz oder eine Reihe von Schlitzen und quer über ein Profil 174, dass konzipiert ist, um den Coanda-Effekt zu ermöglichen, eine Antriebskraft, die ein Fluid wie beispielsweise Luft antreibt und beschleunigt. Ferner erzeugt die Scherschicht 180, die durch das Anwachsen der Grenzschicht 176 und deren Vermischung mit der mitgezogenen Luft 178 gebildet wird, einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom 182, der zur Steigerung der Effizienz einer Anlage genutzt wird, indem mechanische Arbeit oder elektrische Leistung erzeugt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Hochgeschwindigkeitsluftstrom 182 von einem derartigen Gerät 132 genutzt werden, um ein Hybridfahrzeug anzutreiben wie es unten mit Bezug auf die 9 und 10 beschrieben Wird.
9 ist eine schematische Darstellung eines Hybridfahrzeugs 190 mit einem Gerät 192 für die Rückgewinnung von Heißgasen aus einem Verbrennungsmotor 194 in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens. Wie dargestellt, enthält das Hybridfahrzeug den Verbrennungsmotor 194, um das Fahrzeug 190 durch Verbrennen eines Treibstoffs anzutreiben. Zusätzlich enthält das Fahrzeug 190 einen mit dem Verbrennungsmotor 194 verbundenen Turbolader 196. Der Turbolader 196 enthält eine Turbine 198 für die Ausdehnung der Heißgase aus dem Verbrennungsmotor 194, zwecks Erzeugung von mechanischer Arbeit. Ferner umfasst der Turbolader 196 das Gerät 192, das mit der Turbine 198 verbunden ist, um mechanische Arbeit durch den Einsatz eines Coanda-Profils wie oben beschrieben zu erzeugen. Das Gerät 192 enthält einen Einlassverteiler 200, um den Abgasstrom 202 von dem Verbrennungsmotor 194 in das Gerät 192 zu leiten. Ferner umfasst das Gerät 192 einen Lufteinlass 204, um einen Luftstrom 206 in das Gerät einzuführen. Darüber hinaus enthält zumindest eine Oberfläche des Gerätes 192 ein Coanda-Profil für das Mitziehen der hereinströmenden Luft 206 durch die Abgase 202, um einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom 208 wie oben beschrieben zu erzeugen. Der Hochgeschwindigkeitsluftstrom 208 wird anschließend genutzt, um mechanische Arbeit zu erzeugen. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Fahrzeug 190 einen elektrischen Generator 212 für die Erzeugung von elektrischer Leistung aus der mechanischen Arbeit. Ferner umfasst das Fahrzeug 190 auch eine wieder aufladbare Energiespeicheranlage 214 zum Speichern der elektrischen Leistung, um einen Elektromotor (nicht dargestellt) des Fahrzeugs 190 anzutreiben. In dieser beispielhaften Ausführungsform ent hält die wieder aufladbare Energiespeicheranlage 214 eine elektrische Batterie. In einigen Ausführungsformen kann die durch den Hochgeschwindigkeitsluftstrom 208 erzeugte mechanische Arbeit genutzt werden, um einen Verdichter (nicht dargestellt) des Turboladers 196 anzutreiben. In bestimmten anderen Ausführungsformen kann das Fahrzeug 190 einen eingebauten Elektrolyseur (nicht dargestellt) enthalten, um die erzeugte elektrische Leistung zur Erzeugung von Wasserstoff zu nutzen. Daher ermöglicht das Gerät mit dem Coanda-Profil die Erzeugung von mechanischer Arbeit oder elektrischer Leistung durch das Mitziehen des Luftstroms 206 durch die Abgase 202 aus dem Verbrennungsmotor 194, wodurch die Effizienz des Fahrzeugs 190 gesteigert wird.
10 ist eine schematische Darstellung des in dem Hybridfahrzeug 190 aus 9 eingesetzten Gerätes 192, in Übereinstimmung mit Aspekten des vorliegenden Verfahrens. Wie dargestellt, enthält das Gerät 192 den Einlassverteiler 200, um den Abgasstrom 202 in das Gerät 192 zu leiten. Ferner enthält das Gerät 192 den Lufteinlass 204, um den Luftstrom 206 in das Gerät 192 einzuführen. Das Gerät 192 ermöglicht das Mitziehen des Luftstroms 206 – unter Verwendung des Abgasstroms 202 als Antriebsströmung – durch den Coanda-Effekt, und erzeugt den Hochgeschwindigkeitsluftstrom 208, der durch den Auspuff 210 ausgelassen wird. Insbesondere verwendet das Gerät 192 eine Kombination von dem Abgasstrom 202 als Arbeitsfluid und der Außenluft 206, indem ein Teil der Energie durch Beschleunigung von ruhender Luft auf den Luftstrom 206 übertragen wird, wodurch der Hochgeschwindigkeitsluftstrom 208 erzeugt wird. Anschließend kann der Hochgeschwindigkeitsluftstrom 208 zur Erzeugung von mechanischer Arbeit genutzt werden.
Die verschiedenen Aspekte des oben beschriebenen Verfahrens haben den Nutzen, dass sie die Effizienz verschiedener Anlagen wie beispielsweise Gasturbinen, Windkraftanlagen, Mikroturbinen, Turbolader und so weiter, steigern. Das oben beschriebene Verfahren setzt ein Gerät ein, das in existierende Anlagen integriert werden kann, und das ein Antriebsfluid verwendet wie beispielsweise Abgase von geringer Qualität aus einer Anlage, um einen Sekundärfluidstrom zwecks Erzeugung eines Hochgeschwindigkeitsluftstroms mitzuziehen. Insbesondere nutzt das Gerät den Coanda-Effekt, um den Hochgeschwindigkeitsluftstrom zu erzeugen, der für das Entziehen mechanischer Arbeit oder die Erzeugung von elektrischer Leistung genutzt werden kann, wodurch das Gerät die Effizienz derartiger Anlagen steigert. Das Gerät kann eingesetzt werden, um die Effizienz existierender Gasturbinen zu steigern, indem das Gerät mit der Turbine verbunden wird, um mechanische Arbeit und Leistung bei im Wesentlichen minimalem Treibstoffverbrauch zu erzeugen. Ferner kann das Gerät mit existierenden Gasturbinenkraftwerken verbunden werden, um künstlichen Wind zu erzeugen, der zu einer Windturbinenanlage geleitet werden kann. Zusätzlich kann das Gerät mit dem Turbolader eines Fahrzeugs verbunden werden, um dessen Effizienz durch das Entziehen von Arbeit über die Abgase eines Verbrennungsmotors im Fahrzeug zu steigern.
Während nur bestimmte Eigenschaften der Erfindung hier dargestellt und beschrieben sind, werden Fachleuten viele Modifikationen und Änderungen einfallen. Es ist daher zu beachten, dass es die Intention der angefügten Ansprüche ist, alle derartigen Modifikationen und Änderungen abzudecken, die dem Geist der Erfindung entsprechen.

10: Energieextraktionsanlage
12: Coanda-Gerät
14: Druckströmung
16: Zusätzlicher Fluidstrom
18: Hochgeschwindigkeitsfluidstrom
20: Endverbrauchsanlage
50: Coanda-Gerät
52: Kamin
54: Coanda-Profil
56: Hohlraum
58: Primärfluidstrom
60: Kanal
62: Einlass
64: Filter
66: Luftstrom
68: Hochgeschwindigkeitsluftstrom
70: Flügelrad
80: Windkraftanlage
82: Windkraftturbine
84: Rotor
86: Schaufeln
88: Nabe
90: Maschinenhaus
92: Turm
94: Generator
96: Achse
110: Gasturbine
112: Coanda-Gerät
114: Verdichter
116: Brennkammer
118: Turbine
120: Welle
130: Turbinenscheibe mit Coanda-Gerät
132: Turbinenscheibe
134: Coanda-Gerät
136: Hohlraum
138: Kanäle
140: Lufteinlass
142: Einlass für Coanda-Gerät
144: Auslass für Coanda-Gerät
146: Auslass
150: Coanda-Profil
152: Abgase
154: Luft
156: Hochgeschwindigkeitsluftstrom
158: Divergentes Profil
160: Schub
170: Strömungsprofile
172: Abgase
174: Coanda-Profil
176: Grenzschicht
178: Einströmende Luft
180: Scherschicht
182: Hochgeschwindigkeitsstrom
190: Hybridfahrzeug
192: Coanda-Gerät
194: Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung
196: Turbolader
198: Turbine
200: Einlassverteiler
202: Abgasstrom
204: Lufteinlass
206: Luftstrom
208: Hochgeschwindigkeitsstrom
210: Auspuff
212: Elektrischer Generator
214: Energiespeicheranlage

Claims

Gerät (192): mit einem Einlassverteiler (200), der so eingerichtet ist, dass er einen Abgasstrom (202) in das Gerät (192) leitet; mit einem Lufteinlass (204), der einen Luftstrom (206) in das Gerät (192) einführt, und mit zumindest einer Geräteoberfläche (192) mit einem Coanda-Profil (54), um einströmende Luft (206) durch den Abgasstrom (202) mitzuziehen, um einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom (208) zu erzeugen.
Gerät (192) nach Anspruch 1, wobei das Coanda-Profil (54) die Bindung des Abgasstroms (202) an das Profil (54) ermöglicht, um eine Grenzschicht (176) zum Mitziehen der einströmenden Luft (206) zu bilden, um den Hochgeschwindigkeitsluftstrom (208) zu erzeugen.
Gerät (192) nach Anspruch 1, wobei die durch den Lufteinlass (204) eingeströmte Luft mit der Grenzschicht (176) eine Scherschicht (180) bildet, um die Luft in einem konvergierenden Abschnitt des Gerätes (192) zu beschleunigen und die Vermischung der Grenzschicht (17) mit der einströmenden Luft zu ermöglichen.
Gerät (192) nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der von dem Gerät (192) mitgezogenen Luftmasse und der Masse des Abgasstroms zwischen circa 5 und circa 22 liegt.
Gerät (192) nach Anspruch 1, wobei das Coanda-Profil ein logarithmisches Profil enthält.
Turbolader (196) für ein Fahrzeug (190): mit einem Verdichter zum Verdichten eines einströmenden Luftstroms; mit einer Turbine (198) zum Ausdehnen der Abgase eines Verbrennungsmotors (194), um eine Welle zu drehen, und mit einem mit der Turbine (198) verbundenen Gerät (192) zum Mitziehen der einströmenden Luft durch die Abgase, um durch einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom mechanische Arbeit zu erzeugen, wobei das Gerät (192) aufweist: zumindest eine Oberfläche des Gerätes (192) mit einem Coanda-Profil (54), wobei das Coanda-Profil (54) die Bindung der Abgase an das Profil ermöglicht, um eine Grenzschicht (176) zu bilden und die einströmende Luft mitzuziehen, um den Hochgeschwindigkeitsluftstrom zu erzeugen.
Hybridfahrzeug (190): mit einem Verbrennungsmotor (194); mit einem mit dem Verbrennungsmotor (194) verbundenen Turbolader (196), wobei der Turbolader (196) aufweist: eine Turbine (198) zum Ausdehnen der Abgase des Verbrennungsmotors (194), um mechanische Arbeit zu erzeugen; ein mit der Turbine (198) verbundenes Gerät (192) zum Einführen von Abgasen entlang eines Coanda-Profils, um einströmende Luft mitzuziehen, zwecks Erzeugung von mechanischer Arbeit durch einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom, und einen elektrischen Generator (212) zum Erzeugen von elektrischer Leistung aus der mechanischen Arbeit und eine wieder aufladbare Energiespeicheranlage (214) zum Speichern der elektrischen Leistung.
Hybridfahrzeug (190) nach Anspruch 7, wobei die wieder aufladbare Energiespeicheranlage (214) eine elektrische Batterie enthält.
Hybridfahrzeug (190) nach Anspruch 7, ferner enthaltend einen eingebauten Elektrolyseur, um die elektrische Leistung zur Erzeugung von Wasserstoff zu nutzen.
Verfahren für den Betrieb eines Hybridfahrzeugs, umfassend: den Betrieb eines Verbrennungsmotors zum Abtreiben des Fahrzeugs in einer ersten Betriebsart; das Einführen von Abgasen des Verbrennungsmotors über ein Coanda-Profil, um einen zusätzlichen Luftstrom mitzuziehen, zwecks Erzeugung von mechanischer Arbeit durch einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom, und die Erzeugung von elektrischer Leistung aus der mechanischen Arbeit.