DE102015001615A1 - Device for generating kinetic energy, device for compression and method for obtaining electrical energy - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung kinetischer als auch elektrischer Energie aus einem Zustrom von Gas oder Fluiden oder aus einem Abgasstrom, wobei die im Zustrom von Gas oder Fluiden oder im Abgasstrom enthaltene kinetische Energie verwendet wird, um Körper zu beschleunigen oder, um deren kinetische Energie in elektrischen Strom umzuwandeln, diese elektrische Energie zu speichern wird und bei Bedarf abzurufen. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie Verfahren zum Aufbau und zur Gewinnung der elektrischen Energie.The invention relates to a device for generating kinetic as well as electrical energy from an influx of gas or fluids or from an exhaust gas flow, wherein the kinetic energy contained in the influx of gas or fluids or in the exhaust gas flow is used to accelerate bodies or their kinetic energy Converting energy into electricity, storing this electrical energy, and retrieving it when needed. Furthermore, the invention relates to the use of the device according to the invention as well as methods for the construction and the production of electrical energy.
Description
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Die Erfindung und/oder die mit der Erfindung verbundene Vorrichtung oder verbundenen Vorrichtungen ermöglicht die positive und/oder negative Beschleunigung und/oder das Aufrechterhalten einer gleichbleibenden Geschwindigkeit eines mit der Erfindung bzw. mit der Erfindung verbundenen körperlichen Gegenstands. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht sich der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors sowie sonstiger Arbeits- und Kraftmaschinen sowie sonstiger Maschinen, die der Umwandlung von kinetischer und Wärmeenergie in elektrische Energie dienen.The invention and / or the apparatus or associated apparatuses associated with the invention enables the positive and / or negative acceleration and / or maintenance of a constant speed of a physical object connected to the invention or to the invention. The use of the device according to the invention increases the efficiency of an internal combustion engine and of other working and power machines and other machines which serve to convert kinetic and thermal energy into electrical energy.
Die Erfindung und/oder die mit der Erfindung verbundene Vorrichtung oder verbundenen Vorrichtungen betrifft ferner die Gewinnung elektrischer Energie aus einem auf die Erfindung bzw. die mit ihr Erfindung verbundene Vorrichtung oder verbundenen Vorrichtungen zuströmenden Gas, Fluid, unabhängig davon, ob die vorbenannte Materie als Oxidator fungiert. Die Erfindung und/oder die mit ihr Erfindung verbundene Vorrichtung oder verbundenen Vorrichtungen betrifft auch die Gewinnung elektrischer Energie aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors sowie auf dieser Vorrichtung aufbauende Verbrennungsmotoren. Diese Erfindung und/oder die mit der Erfindung verbundene Vorrichtung oder verbundenen Vorrichtungen betrifft ferner Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie.The invention and / or the device or associated devices associated with the invention further relates to the recovery of electrical energy from a gas, fluid, incoming to the invention or the device or devices connected thereto, regardless of whether the aforementioned matter is an oxidizer acts. The invention and / or associated with its invention device or associated devices also relates to the recovery of electrical energy from an exhaust stream of an internal combustion engine as well as on this device building combustion engines. This invention and / or the device or devices associated with the invention further relates to methods for obtaining electrical energy.
Durch die Verwendung der Erfindung und/oder die mit der Erfindung verbundene Vorrichtung oder verbundenen Vorrichtungen werden mit der Vorrichtung verbundene Vorrichtungen bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung selbst, die mobil sind, beschleunigt und/oder wird eine Geschwindigkeit aufrecht erhalten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung betrifft Arbeits- und Kraftmaschinen oder deren Kombination, sowie die sie begründendenen Prinzipien und Verfahren. Auch die erfindungsgemäße Vorrichtung, die immobile ist, ermöglicht die Gewinnung elektrischer Energie.By use of the invention and / or the device or devices associated with the invention, devices connected to the device or the device of the invention itself, which are mobile, are accelerated and / or speed maintained. The device according to the invention relates to working and power machines or their combination, as well as their underlying principles and methods. The device according to the invention, which is immobile, allows the production of electrical energy.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Gewinnung elektrischer Energie erhöht sich der Wirkungsgrad bezüglich der Umwandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie, da die kinetische Energie eines in Bewegung befindlichen Gases, Fluids, die bisher nicht zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden, nun einen positiven Beitrag zur Energiebilanz bei der Umwandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie in dafür vorgesehenen Vorrichtungen wie Strahltriebwerken, Stautstrahltriebwerken und Aeroderivaten dieser, Wind- oder Wasser- oder Fusionskraftwerken oder in Verbrennungsmotoren sowie auf dieser Vorrichtung aufbauenden oder mit ihr verbundenen Vorrichtungen leistet. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht sich der Wirkungsgrad dieser Verbrennungsmotoren bzw. Vorrichtungen, da die kinetische Energie des Abgasstroms, die bisher nicht zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt wird, nun einen positiven Beitrag zur Energiebilanz der Verbrennung im Verbrennungsmotor leistet. Aber auch die kinetische Energie des in Bewegung befindlichen Gase, Fluide wird so mit höherem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt.The use of the electrical energy harvesting apparatus of the present invention increases the efficiency of converting kinetic energy into electrical energy because the kinetic energy of a moving gas, fluid, not previously used to generate electrical energy is now positive Contribution to the energy balance in the conversion of kinetic energy into electrical energy in dedicated devices such as jet engines, jet engines and Aeroderivaten this, wind or water or fusion power plants or in internal combustion engines as well as building on this device or connected to her devices makes. By using the device according to the invention, the efficiency of these internal combustion engines or devices increases, since the kinetic energy of the exhaust gas flow, which is not previously used for the production of electrical energy, now makes a positive contribution to the energy balance of combustion in the internal combustion engine. But also the kinetic energy of the moving gases, fluids is converted with higher efficiency into electrical energy.
Es ist bekannt, dass der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren bei ungefähr 30% liegt. Der Wirkungsgrad im Sinne dieser Erfindung ist der Quotient aus der Nutzenergie, die einem Motor nach der Verbrennung zur Verfügung steht, und der Energie, die einem Motor in Form eines Kraftstoffs zugeführt wird. Nutzenergie ist ferner die kinetische oder Wärmeenenergie eines Gases, Fluids, die sich aus einer tatsächlichen Geschwindungkeit oder einer relativ zur erfindungsgemäßen Vorrichtung sich ergebenden tatsächlichen Geschwindigkeit ergibt. Das Verhältnis kann Werte zwischen 0 und 1 annehmen, wobei größere Werte ein Zeichen für eine gute Ausnutzung der zugeführten Kraftstoff-Energie sind und kleinere Werte auf eine geringe Ausnutzung hindeuten.It is known that the efficiency of internal combustion engines is about 30%. The efficiency for the purposes of this invention is the quotient of the useful energy that is available to an engine after combustion, and the energy that is supplied to an engine in the form of a fuel. Beneficial energy is also the kinetic or thermal energy of a gas, fluid resulting from an actual velocity or actual velocity relative to the device of the invention. The ratio may take values between 0 and 1, with larger values indicating good utilization of the fuel energy supplied and smaller values indicating low utilization.
Ziel von Forschung und industrieller Entwicklung ist es, den Wirkungsgrad insbesondere von Verbrennungsmotoren zu erhöhen. Aber auch Ziel er Forschung und industriellen Entwicklung ist es, jede tatsächlich vorhandene Form von Energie insbesondere in elektrische Energie aber auch zur Umwandlung der vorhandenen Energie zu verwenden. Insbesondere das Umwandeln von Energie, die sich nicht aus Verbrennungsprozessen ergibt, wird stetig erforscht und entwickelt. Und, stets wird ein großes Potential in einer verbesserten Ausnutzung der im Abgasstrom enthaltenen Energie gesehen.The aim of research and industrial development is to increase the efficiency of internal combustion engines in particular. But the goal of research and industrial development is also to use any actual form of energy, especially in electrical energy, but also to convert existing energy. In particular, the conversion of energy that does not result from combustion processes is constantly being researched and developed. And, always a great potential in an improved utilization of the energy contained in the exhaust stream is seen.
Abgase entstehen bei der Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Verbrennungskammer eines Motors und werden über Abgasrohre an die Außenluft oder an die Umgebung abgegeben. Dabei verlassen die Abgase die Verbrennungskammer unter hohem Druck, großer Geschwindigkeit und hohen Temperaturen und werden durch ein oder mehrere Abgasrohre abgeleitet. Der Abgasstrom enthält also sowohl thermische, als auch kinetische Energie, und diese Eigenschaften werden als Ausgangspunkt für Überlegungen betrachtet, wie der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors erhöht werden kann. Exhaust gases are produced during the combustion of an air-fuel mixture in the combustion chamber of an engine and are discharged via exhaust pipes to the outside air or to the environment. The exhaust gases leave the combustion chamber under high pressure, high speed and high temperatures and are discharged through one or more exhaust pipes. The exhaust stream thus contains both thermal and kinetic energy, and these properties are considered as the starting point for considerations of how to increase the efficiency of an internal combustion engine.
Das Umwandeln von bisher nicht nutzbarer oder nicht maximal effizient genutzter vorhandener Energie ist weiter relevanter Ansatz für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen. Insbesondere die Erschließung von kinetischer Energie von Gasen durch sogenannte Windkraftwerke oder Fluiden durch Wasserkraftwerke bzw. elektrische Energie erzeugende Umwandlung der Aggregatzustände dieser Elemente sind in einer energiehungrigen Gesellschaft Ziel von Forschung und Entwicklung. Die Effizienzsteigerung im Sinne einer Erhöhung des Wirkungsgrades aber auch die Diversifizierung möglicher Umwandlungsvorrichtungen durch die hiesige Erfindung sollen weiterer Ausgangspunkt sein.The conversion of energy that was previously unusable or not maximally used efficiently is a further relevant approach for the devices according to the invention. In particular, the development of kinetic energy of gases by so-called wind power plants or fluids by hydroelectric power plants or electrical energy-generating transformation of the states of matter of these elements are in a power hungry society research and development. The efficiency increase in terms of increasing the efficiency but also the diversification of possible conversion devices by the present invention should be another starting point.
Im Stand der Technik werden beispielsweise Vorrichtungen beschrieben, die die kinetische Energie eines Abgasstromes nutzen, um die Leistungsfähigkeit eines Verbrennungsmotors zu erhöhen. Dazu wird Außenluft verdichtet und diese verdichtete Außenluft dem Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt. Solche Vorrichtungen werden in der Literatur als Turbojet, Turbolader, Turboabgasgebläse oder Abgasturbolader bezeichnet. Solche Vorrichtungen werden ferner, in Abhängigkeit ihrer Verwendung und ihres Einsatzbereichs als Fan, Verdichter oder Propeller bezeichnet. Neben der Flug- und Schifffahrtsindustrie wird diese dem Abgasstrom innewohnende Energie auch in der Automobilindustrie oder Energieerzeugungs-/Energieumwandlungsindustrie zur Leistungssteigerung bzw. Wirkungsgraderhöhung genutzt.In the prior art, for example, devices are described which use the kinetic energy of an exhaust gas flow to increase the performance of an internal combustion engine. For this purpose, outside air is compressed and this compressed outside air provided to the internal combustion engine. Such devices are referred to in the literature as turbojet, turbocharger, turbo exhaust fan or turbocharger. Such devices are also referred to as fans, compressors or propellers, depending on their use and application. In addition to the aviation and shipping industry, this inherent in the exhaust flow energy is also used in the automotive or power generation / energy conversion industry to increase performance or increase in efficiency.
Dabei wandelt eine derartige Turbine, soweit im Abgasstrom positioniert, die kinetische Energie der Abgasbestandteile, die nach der Verbrennung aus der Verbrennungskammer strömen, in eine Drehbewegung um. Diese Drehbewegung wird über eine Welle axial oder koaxial auf eine zweite Turbine übertragen, die ebenfalls an der Welle axial oder koaxial befestigt vorliegt. Diese Turbolader-Verdichterturbine saugt Außenluft an und verdichtet diese Außenluft, welche dann dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Die Verbrennung von verdichteter Luft in der Verbrennungskammer führt zu einer Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors bezüglich Drehmoment, Leistungsausbeute oder Schub- oder Zugkraft. Turbinen werden also verwendet, um die kinetische Energie des Abgasstroms dafür zu nutzen, Außenluft zu verdichten und damit die Leistungsfähigkeit eines Motors zu steigern. Auch hier verwenden Flug-, Schifffahrts, Automobil- und Energieerzeugungs-/Energieumwandlungsindustrie dies.In this case, such a turbine, as far as positioned in the exhaust gas flow, converts the kinetic energy of the exhaust gas constituents which flow out of the combustion chamber after combustion into a rotational movement. This rotational movement is transmitted via a shaft axially or coaxially to a second turbine, which is also attached to the shaft axially or coaxially fixed. This turbocharger compressor turbine sucks outside air and compresses this outside air, which is then fed to the engine. The combustion of compressed air in the combustion chamber leads to an increase in the power of the internal combustion engine in terms of torque, power output or thrust or traction. Turbines are therefore used to utilize the kinetic energy of the exhaust gas flow to compress outside air and thus increase the efficiency of an engine. Again, aviation, shipping, automotive and power generation / energy conversion industries use this.
Eine derartig oben benannte Turbine, soweit in einem Gasstrom oder Fluid oder positioniert, der/das sich auf die Turbine beschleunigt zubewegt oder die Turbine mit der mit ihr verbundenen Vorrichtung auf das Gas oder Fluid zubewegt, und das Gas oder Fluid nicht Abgas ist, wandelt die kinetische Energie des Gases oder des Fluids in eine Drehbewegung um.Such a turbine as referred to above, as far as positioned in or positioned in a gas flow or fluid accelerating towards the turbine or moving toward the gas or fluid with the device connected thereto, and the gas or fluid is not exhaust gas converts the kinetic energy of the gas or fluid into a rotational motion.
Die vorbenannten Turbinen können ferner die Drehbewegung durch entsprechend eingebundene Vorrichtungen in elektrische Energnie umwandeln.The aforementioned turbines may further convert the rotary motion to electrical energy by means of correspondingly incorporated devices.
Neben sich verändernden Mobilitätsbedürfnissen der Menschen sind insbesondere Ressourcen einsparende Antriebe für die Mobilit der Menschen gefordert und da immer mehr technische Geräte im Fahrzeugen für die Mobilität Einzug halten, die nicht notwendigerweise der Fortbewegung dienen aber auch dienen können, ist für deren Betrieb mehr elektrische Energie neben der zur Umwandlung von thermischer und kinetischer Energie verwendeten Brennstoffe bereitzustellen oder in Gasen und Fluiden vorhandene Energie in elektrische Energie umzuwandeln und entsprechende Anlagen bereitzustellen.In addition to people's changing mobility needs, resources-saving drives for people's mobility are particularly demanded, and as more and more technical devices are introduced into vehicles for mobility that are not necessarily able to serve but also serve more electrical energy is required for their operation to provide the fuels used for the conversion of thermal and kinetic energy, or to convert energy present in gases and fluids into electrical energy and to provide corresponding equipment.
Die Bewegungsenergie der Abgasströme in Verbrennungsmotoren aber auch Energie, die den Aggregatzuständen einer Materie (Gase, Fluide) bzw. in deren Bewegungsenergie innewohnt, sind umwandelbar in elektrische Energie und verwenbar für Vorrichtungen, die eine köperliche Gegegnstände in Bewegung versetzen können. Da allgemein nach dem Energieerhaltungsgrundsatz gilt, dass Energie nicht verloren geht, nur umgewandelt wird hiervon umfasst ist, kann grundsätzlich Vorbenanntes eine Turbine in eine Drehbewegung versetzen.The kinetic energy of the exhaust gas streams in internal combustion engines, but also energy inherent in the states of matter (gases, fluids) or in their kinetic energy, are convertible into electrical energy and usable for devices that can set a physical Gegegnstände in motion. Since, in general, according to the principle of energy conservation, energy is not lost, only converted is covered by it, in principle the above can put a turbine in a rotary motion.
Stand der Technik in oben benannten Turbinen sind im Abgasstrom oder Zustrom des Gases oder Fluids stationierte Profile, die auf einer beweglichen axialen/koaxialen Welle gelagert und die aufgrund ihrer Positionierung auf der Welle geeignet sind, die kinetische Energie des beschleunigten Abgasstroms und/oder des Gases, des Fluids in eine Drehbewegung der axialen/koaxialen Welle um ihre Längsachse umzuwandeln.Prior art turbines in the above-mentioned are in the exhaust stream or influx of gas or fluid-based profiles mounted on a movable axial / coaxial shaft and due to their Positioning on the shaft are adapted to convert the kinetic energy of the accelerated exhaust gas flow and / or the gas, the fluid in a rotational movement of the axial / coaxial shaft about its longitudinal axis.
Eine Turbine im Sinne nach dem Stand der Technik ist ein Schaufelrad, ein Turbinenrad, eine Axialturbine, Dampfturbine, Gasturbine, Radialturbine, Spiralturbine, Propellerturbine oder eine Turbine, die sich im Abgasrohr eines Verbrennungsmotors befindet sowie ein Propeller. Turbine im Sinne der Erfindung ist ferner der Verdichter, der Fan und Schaufelräder, Turbinenräder in Strahltriebwerken bzw. in derartigen stationären Vorrichtungen. Im Sinne des Standes der Technik ist sie weitere Vorrichtung zur Umwandlung kinetischer Energie und Bewegungsenergie oder elektrische Energie Propeller für Luft- als auch Wasserfahrzeuge sind von der Erfindung erfasst.A turbine in the sense of the prior art is a paddle wheel, a turbine wheel, an axial turbine, steam turbine, gas turbine, radial turbine, spiral turbine, propeller turbine or a turbine, which is located in the exhaust pipe of an internal combustion engine and a propeller. Turbine in the context of the invention is also the compressor, the fan and paddle wheels, turbine wheels in jet engines or in such stationary devices. In the context of the prior art, it is another device for converting kinetic energy and kinetic energy or electric energy propellers for air and water vehicles are covered by the invention.
Das Abgasrohr verbindet die Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors mit der Außenluft. Die bei der Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors entstehenden Abgase werden von dort an die Umgebung abgeführt. Dies geschieht bedingt durch die Druck- und Temperaturverhältnisse in der Verbrennungskammer des Motors mit einer großen Geschwindigkeit des Abgasstroms und bei hohen Temperaturen.The exhaust pipe connects the combustion chamber of the internal combustion engine with the outside air. The resulting in the combustion of an air-fuel mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine exhaust gases are discharged from there to the environment. This occurs due to the pressure and temperature conditions in the combustion chamber of the engine with a high velocity of the exhaust stream and at high temperatures.
Dabei prallen die Abgasbestandteile dabei auf die Turbinenschaufeln der (Abgas-)turbine und versetzen diese in Bewegung, indem sie ihre kinetische Energie auf die Abgasturbine übertragen. So entsteht eine Drehbewegung der Abgasturbine.In the process, the exhaust components collide with the turbine blades of the (exhaust) turbine and set them in motion by transferring their kinetic energy to the exhaust gas turbine. This creates a rotational movement of the exhaust gas turbine.
Dabei prallen Fluide und Gase auf die Turbinenschaufeln der (Abgas-)turbine und versetzen diese in Bewegung, indem sie ihre kinetische Energie auf die (Abgas-)turbine übertragen und so eine Drehbewegung der Abgasturbine entsteht.In the process, fluids and gases impinge on the turbine blades of the (exhaust) turbine and set them in motion by transmitting their kinetic energy to the (exhaust) turbine, thus producing a rotational movement of the exhaust gas turbine.
Die Drehbewegung der axialen/koaxialen Welle wird also dadurch erzeugt, dass der von der kinetischen Energie der Abgase oder des Fluids ausgehende Druck die Profile auf der Welle in eine Drehbewegung der axial und/oder koaxial gelagerten Welle versetzt.The rotational movement of the axial / coaxial shaft is thus generated by the fact that the outgoing of the kinetic energy of the exhaust gases or the fluid pressure offset the profiles on the shaft in a rotational movement of the axially and / or coaxially mounted shaft.
Die Erfindung umfasst mehrere Arten und Verwendungsgebiete von Vorrichtungen, so dass der Stand der Technik bezogen auf die Relevanz für die Erfindung in gebotener Kürze dargestellt wird:
Ein Strahltriebwerk, auch Turbinen-Luftstrahltriebwerk, Düsentriebwerk, oder Strahlturbine genannt (nachfolgend als Strahltriebwerk bezeichnet), ist eine Gasturbine, die vor allem als Luftfahrtantrieb verwendet wird und nach dem Prinzip des Rückstoßantriebs arbeitet. Die angesaugte Luft wird verdichtet, mit einem gasförmigen oder flüssigen Treibstoff vermischt, dann gezündet und verbrannt. Als Mischung aus Verbrennungsprodukten und Luft entsteht ein Heißgas, das als Antriebsstrahl wieder austritt, wobei Schub als Reaktionskraft auf den Rückstoß entsteht (sog. Turbojettriebwerke), wobei bei Mantelstromtriebwerken (sog. Turbofantriebwerke, englisch: turbofan) die beschleunigte Luft des Mantelstroms den Hauptteil der Triebwerksleistung bzw. des Schubs erzeugt. Das Strahltriebwerk entnimmt den notwendigen Oxidator der Umgebungsluft.The invention encompasses several types and fields of use of devices, so that the state of the art in relation to the relevance for the invention is shown in brief:
A jet engine, also called turbine air jet engine, jet engine, or jet turbine (hereinafter referred to as jet engine), is a gas turbine, which is mainly used as an aviation engine and operates on the principle of the recoil drive. The sucked air is compressed, mixed with a gaseous or liquid fuel, then ignited and burned. As a mixture of combustion products and air creates a hot gas, which emerges as a drive jet again, with thrust as a reaction force on the recoil arises (so-called turbojet engines), where in turbofan engines (turbofan engines, English: turbofan) the accelerated air of the sheath flow the main part of Engine power or the thrust generated. The jet engine removes the necessary oxidizer of the ambient air.
Das Strahltriebwerk ist heutzutage von hoher Bedeutung für den Luftverkehr. Der mit Abstand größte Teil der Transportleistung in der Luftfahrt wird heute mit Strahltriebwerken erbracht: in Überschallflugzeugen kommen weniger oft Turbojettriebwerke, stattdessen überwiegend Turbofantriebwerke zum Einsatz, die insbesondere im kommerziellen Luftverkehr dominieren. Die Turbofantriebwerke werden nach dem Stand der Technik als Zweistrom-Turbinen-Luftstrahltriebwerk konzipiert und so genannt.The jet engine is of high importance for aviation nowadays. By far the largest part of aviation transport services is provided today by jet engines: in supersonic aircraft, turbofan engines are used less frequently, but predominantly turbofan engines, which dominate commercial air traffic in particular, are used instead. The turbofan engines are designed according to the state of the art as a two-stream turbine jet engine and so called.
Die Gasturbine als Strahltriebwerk besteht aus Einlauf, Kompressor, Brennkammer, Turbine und Schubdüse. Der Kompressor und die Turbine sind über mindestens eine Welle mechanisch miteinander verbunden. Aber bei Freilaufturbinen, die zum Teil bei Turboprops zum Einsatz kommen, sind die Turbinenstufen, die den Propeller antreiben, mechanisch von den anderen Komponenten getrennt.The gas turbine as a jet engine consists of inlet, compressor, combustion chamber, turbine and exhaust nozzle. The compressor and the turbine are mechanically connected to each other via at least one shaft. But for freewheel turbines, some of which are used in turboprops, the turbine stages driving the propeller are mechanically separated from the other components.
In Mantelstromtriebwerken wird vor der ersten Verdichterstufe für den Kernstrom ein Fan eingesetzt. Der Fan sorgt für die Erzeugung des Mantelstroms, der zwischen der eigentlichen Gasturbine und äußerer Triebwerksverkleidung herumgeführt und nach hinten ausgeblasen wird. Der Fan (teils Gebläse, Bläser, Lüfter genannt) besitzt, vor allem bei einem hohem Nebenstromverhältnis des Triebwerks, einen deutlich größeren Querschnitt als die Verdichterstufen. Bei zu hoher Drehzahl würden seine Schaufelblätter hohe Fliehkräfte entwickeln, was die mechanische Belastung erhöht. Die einströmende Luft würde zudem an den Blattspitzen Überschallgeschwindigkeit erreichen, was den Wirkungsgrad herabsetzt. Stand der Technik ist deswegen heutzutage, dass der Fan meist auf einer eigenen Welle, die von der Niederdruckturbine angetrieben wird, mit deutlich geringerer Drehzahl als der Verdichter läuft. Dies stellt ein Strahltriebwerk mit mehr als einer Welle dar, wobei drei Wellen heutzutage dem Fachmann für Strahltriebwerk bekannt sind. Zwischen Fan und der ihn antreibenden Welle kann ferner ein Untersetzungsgetriebe angeordnet sein.In turbofan engines, a fan is used upstream of the first compressor stage for the core flow. The fan ensures the generation of the sheath current, which is guided around between the actual gas turbine and the outer engine cowling and blown out to the rear. The fan (sometimes blower, fan, fan called) has, especially at a high bypass ratio of the engine, a much larger cross-section than the compressor stages. If the speed was too high, its blades would develop high centrifugal forces, which increases the mechanical load. The incoming air would also reach the blade tips supersonic speed, which reduces the efficiency. The state of the art today is that the fan usually runs on its own shaft, which is driven by the low-pressure turbine, at a significantly lower speed than the compressor. This constitutes a jet engine with more than one shaft where three waves are now known to those skilled in jet engine. Between the fan and the shaft driving it can also be arranged a reduction gear.
Dadurch laufen die Schaufeln des Fans im mehrwelligen Strahltriebwerk in einem optimalen Geschwindigkeitsbereich, was die Effizienz des Triebwerks verbessert, da der Nebenluftstrom weiter verlangsamt werden kann, den Verbrauch von Brennstoff und die Lärmemissionen verringert. Durch die niedrigere Drehzahl werden die Zentrifugalkräfte reduziert und die Beschaufelung des Fans kann leichter dimensioniert werden. Der innere Fanbereich, d. h. bezüglich des Luftstroms im Verdichterbereich des Strahltriebwerks, der keinen Beitrag zur Kompression leistet, wird getrennte Baugruppe betrachtet. Leistet er einen Beitrag zur Kompression, wird er als erste Verdichterstufe betrachtet. Der äußere Fanbereich beschleunigt den Mantelstrom und dient auch dem Verdichten, das Verhaltnis für diesen Bereiche hängt ab von den konstruktiven und konstruierten Parametern die Beschleunigung des Mantelstroms und/oder des Verdichtens im inneren Strahltriebwerk betreffend. Der Fan ist meist vor dem Verdichter angeordnet. Er kann sich ferner hinter dem inneren Strahltriebwerk befinden. Der Fan eines Mantelstromtriebwerks hat die Aufgabe, große Luftmassen anzusaugen und zu beschleunigen.As a result, the blades of the fan in the multi-shaft jet engine run in an optimal speed range, which improves the efficiency of the engine, since the secondary air flow can be further slowed down, the consumption of fuel and noise emissions reduced. The lower speed reduces centrifugal forces and makes fan blading easier. The inner fan area, d. H. Regarding the air flow in the compressor section of the jet engine, which makes no contribution to the compression, separate assembly is considered. If he makes a contribution to the compression, he is regarded as the first compressor stage. The outer fan area accelerates the bypass flow and also serves the compression, the ratio for these areas depends on the constructive and constructed parameters concerning the acceleration of the sheath flow and / or the compression in the inner jet engine. The fan is usually located in front of the compressor. He may also be located behind the inner jet engine. The fan of a turbofan engine has the task to suck in and accelerate large air masses.
Hinter dem Fan wird der Luftstrom aufgeteilt in einen inneren Luftstrom (Primärstrom genannt), der in das innere Strahltriebwerk (Verdichter, Brennkammer, Turbine, Schubdüse) gelangt, und in einen äußeren Luftstrom (Neben- bzw. Sekundärstrom genannt), der außen am inneren Strahltriebwerk vorbeigeführt wird.Behind the fan, the air flow is divided into an inner air flow (called primary flow), which enters the inner jet engine (compressor, combustion chamber, turbine, exhaust nozzle), and an outer air flow (called secondary or secondary flow), the outside of the inner Jet engine is passed.
Der Fan erzeugt in modernen, kommerziellen Triebwerken etwa 80% des Vortriebs. Charakteristisch für einen Fan im Zweistrom-Turbinen-Luftstrahltriebwerk ist das Nebenstromverhältnis, welches das Verhältnis der Luftmenge des Nebenstroms zur Luftmenge, die durch die Gasturbine strömt, ist. In Zivilflugzeugen liegt ein Nebenstromverhältnis von 4 (80% Bypass, 20% Kernstrom) bis 9 (90% Bypass, 10% Kernstrom) vor. Sekundär- und Primärstrom zusammen bewirken den Gesamtschub. Bei Kampfflugzeugen ist der Nebenstromanteil zu Gunsten einer maximalen Endgeschwindigkeit gering bis sehr gering.The fan produces about 80% of the propulsion in modern commercial engines. Characteristic of a fan in the twin-stream turbine air jet engine is the bypass ratio, which is the ratio of the air flow rate of the side stream to the air flow passing through the gas turbine. Civil aircraft have a bypass ratio of 4 (80% bypass, 20% core flow) to 9 (90% bypass, 10% core flow). Secondary and primary current together cause the total thrust. In combat aircraft, the side stream share in favor of a maximum final speed is low to very low.
Auf den Lufteinlauf folgt der Verdichter. Moderne sogenannte Verdichter besitzen mehrere Verdichterstufen, die jeweils aus mehreren Laufrädern mit Kompressorschaufeln bestehen können. Der Verdichter hat die Aufgabe, der einströmenden Luftmasse kinetische Energie zuzuführen und diese in Druckenergie umzuwandeln. Dies geschieht in den sich erweiternden Zwischenräumen der Kompressorschaufeln. Nach dem Gesetz von Bernoulli erhöht sich in einem an Querschnittsfläche zunehmenden Kanal der statische Druck, während die Strömungsgeschwindigkeit sinkt. Die nun verlorene kinetische Energie wird in einer Rotorstufe wieder ausgeglichen. Eine komplette Verdichterstufe eines axialverdichtenden Verdichters besteht also aus einer sogenannten Rotorstufe, in der sowohl Druck und Temperatur als auch die Geschwindigkeit steigen, und einer sogenannten Statorstufe, in der der Druck zu Ungunsten der Geschwindigkeit steigt. Die Rotorstufen sind hintereinander auf einer gemeinsamen Trommel angeordnet, bei modernen Triebwerken auch auf bis zu drei Trommeln. Die Statorstufen sind fest auf der Innenseite des Verdichtergehäuses eingebaut. Die Statorschaufeln teils auch als Verbindungsstreben im Verdichter bzw. der Turbine.The air intake is followed by the compressor. Modern so-called compressors have several compressor stages, each of which may consist of several wheels with compressor blades. The purpose of the compressor is to supply kinetic energy to the incoming air mass and to convert it into pressure energy. This happens in the expanding spaces of the compressor blades. According to the law of Bernoulli, in a channel increasing in cross-sectional area, the static pressure increases while the flow rate decreases. The now lost kinetic energy is compensated in a rotor stage again. A complete compressor stage of an axially compressing compressor thus consists of a so-called rotor stage, in which both pressure and temperature as well as the speed increase, and a so-called stator stage in which the pressure increases to the detriment of the speed. The rotor stages are arranged one behind the other on a common drum, in modern engines also on up to three drums. The stator stages are permanently installed on the inside of the compressor housing. The stator blades partly also as connecting struts in the compressor or the turbine.
Ein Mantelstromtriebwerk verhüllt den inneren Kernstrom, welcher den thermodynamischen Kreisprozess der Gasturbine ausführt. Die Schubwirkung des Kerntriebwerks ist im Verhältnis zum Mantelstrom gering und das Kerntriebwerk dient im Wesentlichen als Motor für Fan und Mantelstrom. Der Mantelstrom bewirkt auch eine Verringerung der Strahlgeschwindigkeit des ausgestoßenen Luft-Abgas-Strahls mit der Folge eines niedrigeren Treibstoffverbrauchs und geringerer Schallemission gegenüber einem Einstrom-Strahltriebwerk gleicher Schubkraft.A turbofan engine hides the inner core flow, which carries out the thermodynamic cycle of the gas turbine. The thrust of the core engine is low in relation to the sheath flow and the core engine essentially serves as a motor for fan and sheath flow. The sheath flow also causes a reduction in the jet velocity of the expelled air-exhaust jet with the result of lower fuel consumption and lower noise emissions compared to a single jet engine of equal thrust.
Am Einlass des Mantelstromtriebwerks wird Luft eingesaugt. Der Fan beschleunigt im Außenbereich (Nebenstrom) diese Luft. Im Innenbereich (Kernstrom) des ersten großen Schaufelblatt-Rads wird die Luft verdichtet und dabei leicht abgebremst. Der Kern-Luftstrom wird zur innere der Turbine geleitet, wo der thermodynamische Kreisprozess die Antriebsenergie erzeugt. Hierzu folgt auf den Fan zunächst ein Verdichter, der den Kernstrom weiter komprimiert. Nach dem Verdichter kommt die Brennkammer. Hier wird Treibstoff in die verdichtete Luft eingespritzt und verbrannt, was die Energie für den Antrieb liefert. Die Temperatur- und Druckerhöhung durch die Verbrennung führen zu einer starken Beschleunigung des Kernstroms. Der Kernstrom wird nach der Brennkammer durch die Abgasturbine geführt. Diese wandelt einen Teil der in der Brennkammer zugeführten Energie in mechanische Leistung um, damit werden Verdichter und Fan angetrieben (mittels einer nach vorne führenden Welle). Die verbleibende Energie (Druck, Strömungsgeschwindigkeit) im Kernstrom wird über die am Triebwerksende befindliche Schubdüse in Schubkraft umgesetzt.Air is sucked in at the inlet of the turbofan engine. The fan accelerates in the outdoor area (sidestream) this air. In the interior (core flow) of the first large airfoil wheel, the air is compressed and thereby braked slightly. The core airflow is directed to the interior of the turbine, where the thermodynamic cycle generates the drive energy. For this purpose, the fan is first followed by a compressor, which further compresses the core stream. After the compressor comes the combustion chamber. Here fuel is injected into the compressed air and burned, which provides the energy for the drive. The increase in temperature and pressure due to combustion leads to a strong acceleration of the core flow. The core stream is passed through the exhaust gas turbine after the combustion chamber. This converts a part of the energy supplied in the combustion chamber into mechanical power, so that compressor and fan are driven (by means of a shaft leading to the front). The remaining energy (pressure, flow velocity) in the core stream is converted into thrust via the thrust nozzle located at the end of the engine.
Um zu verhindern, dass die Schaufelspitzen des Fans eine zu hohe Geschwindigkeit erreichen, werden Untersetzungsgetriebe oder mindestens eine, meist zwei bis drei Wellen benutzt, um Kerntriebwerk und Fan mit unterschiedlichen Drehzahlen betreiben zu können. Das Mehrwellensystem wird konzipiert durch eine koaxiale Wellenanordnung, d. h. eine äußere hohle Primärwelle, durch die die dünnere, Sekundärwelle hindurchfährt, konstruiert. In order to prevent the blade tips of the fan from reaching too high a speed, reduction gears or at least one, usually two to three, shafts are used in order to be able to operate the core engine and the fan at different rotational speeds. The multi-shaft system is designed by a coaxial shaft assembly, ie an outer hollow primary shaft through which the thinner secondary shaft passes.
Die Beschaufelung der Turbine wird aufwendig von Innen oder Außen gekühlt und bestehen aus widerstandsfähigen Legierungen, um optimale Eigenschaften des eingesetzten Werkstoffs für eine Turbine zu nutzen.The blading of the turbine is costly cooled from the inside or outside and consist of resistant alloys to use optimal properties of the material used for a turbine.
Hinter der Turbine ist die Schubdüse angebracht, durch die das Gas auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird und damit den Schub erzeugt. Das am Turbinenausgang vorhandene Druckgefälle zwischen Turbinenausgangsdruck und Umgebungsdruck wird vollständig in Geschwindigkeit umgesetzt. Solange das Druckverhältnis von Turbinenausgangsdruck zu Umgebungsdruck kleiner als ein sogenannter kritischer Wert von etwa zwei ist, ist der Druck am Düsenende gleich dem Druck in der Umgebung. Triebwerke mit Nachbrenner führen dem Gasstrom noch vor der Düse weiteren Kraftstoff zu, dessen Verbrennung wegen der dadurch erhöhten Temperatur die Gasdichte reduziert. Die Austrittsgeschwindigkeit des Freistrahls ist dann bei gleichem Düsendruckverhältnis größer und damit auch der Schub. Triebwerke mit Nachbrenner benötigen eine verstellbare Düse, da der engste Düsenquerschnitt bei Nachbrennerbetrieb vergrößert werden muss.Behind the turbine, the exhaust nozzle is attached, through which the gas is accelerated to high speed and thus generates the thrust. The pressure difference between the turbine outlet pressure and the ambient pressure at the turbine outlet is completely converted into speed. As long as the pressure ratio of turbine outlet pressure to ambient pressure is less than a so-called critical value of about two, the pressure at the nozzle end is equal to the pressure in the environment. Engines with afterburner lead to the gas flow even before the nozzle further fuel whose combustion reduces the gas density because of the increased temperature. The exit velocity of the free jet is then greater at the same nozzle pressure ratio and thus also the thrust. Engines with afterburner need an adjustable nozzle, since the narrowest nozzle cross-section must be increased in Nachbrennerbetrieb.
Fan, Verdichter und Turbine benötigen ein festes Gehäuse, das im Falle eines Bruchs in der Beschaufelung der Fliehkraft des abgerissenen Teils standhält und dieses nicht das Flugwerk oder in der Nähe befindliche Personen verletzt. Damit ein Durchschlagen des Triebwerksgehäuses verhindert wird, ist es gewöhnlich mit Matten aus z. B. Aramid verstärkt, welche auch für beschusshemmende Westen, Schutzhelme oder Fahrzeugpanzerungen verwendet werden. Die hohen Temperaturen im Turbinenbereich verhindern dort den Einsatz von Aramid.Fan, compressor and turbine require a solid housing, which will withstand the centrifugal force of the demolished part in the event of a break in the blading and this does not injure the airframe or nearby persons. So that a penetration of the engine housing is prevented, it is usually with mats from z. B. aramid reinforced, which are also used for bullet-proof vests, hard hats or vehicle armor. The high temperatures in the turbine area prevent the use of aramid there.
Das Zweistrom-Strahltriebwerk (Turbofan, Mantelstrom-, Bypass-Triebwerk) ist die vorherrschende Form des Strahltriebwerks. Es bietet gegenüber einem Einstrahltriebwerk den besseren Wirkungsgrad.The twin-jet jet engine (turbofan, bypass, bypass engine) is the predominant form of jet engine. It offers over a jet engine the better efficiency.
Nachteile bezüglich Strahltriebwerk nach dem Stand der Technik sind zusammengefasst:
Die hohe Drehzahl der Schaufelblätter lässt hohe Fliehkräfte entstehen, was eine hohe mechanische Belastung der Schaufelblätter bedeutet und an den Blattspitzen diese Überschallgeschwindigkeit erreichen, was den Wirkungsgrad des Triebwerks mindert. Es sind mehrwellige Konstruktionen, die Gewicht und Komplexität erhöhen, notwendig. Die Schaufelblätter in der Turbine und deren Verankerung müssen aufwendig von Innen oder Außen gekühlt werden und haben aus widerstandsfähigen Legierungen zu bestehen. Die Austrittsgeschwindigkeit des Abgasstrahls beim Nachbrenner bedingt eine verstellbare Düse, weil der engste Düsenquerschnitt bei Nachbrennerbetrieb vergrößert werden muss.Disadvantages with respect to jet engines according to the prior art are summarized:
The high speed of the blades leaves high centrifugal forces arise, which means a high mechanical load on the blades and reach at the blade tips this supersonic speed, which reduces the efficiency of the engine. Multi-shaft designs that increase weight and complexity are necessary. The blades in the turbine and their anchoring must be consuming cooled from inside or outside and have to consist of resistant alloys. The exit velocity of the exhaust jet at the afterburner requires an adjustable nozzle, because the narrowest nozzle cross-section must be increased during afterburner operation.
Der Arbeit des Raketentriebwerks liegt das Rückstoßprinzip zugrunde. Der Unterschied zum Strahltriebwerk ist, dass dieses den für die Verbrennung notwendigen Oxidator bzw. den Träger von Sauerstoff der Umgebungsluft entnimmt. Das Raktentriebwerk muss den sogenannten Oxidator mit sich führen. Im Übrigen liegt – vergleichbar dem Strahltriebwerk – ein durch die Verbrennung eines Verbrennungsmittels mit Hilfe eines Oxidators beschleunigter Abgasstrahl vor, der eine Masse beschleunigt.The work of the rocket engine is based on the recoil principle. The difference with the jet engine is that it takes the necessary for the combustion oxidizer or the carrier of oxygen in the ambient air. The Raktentriebwerk must carry the so-called oxidizer with it. Incidentally, similar to the jet engine, an exhaust gas jet accelerated by the combustion of a combustion agent with the aid of an oxidizer accelerates a mass.
Nachteil des Raktentriebwerks nach dem Stand der Technik ist insbesondere, dass der Oxidator vom Triebwerk mitgeführt werden muss, was eine hohes Startgewicht ergibt, wofür ein Großteil der Verbrennungsenergie verwendet werden muss. Ein Nachteil ist auch, dass sein einmal gestarteter Verbrennungsprozess nicht mehr gestoppt werden kann. Auch ist ein Nachteil, dass eine Erweiterung des Raktetenantriebs um die Nutzbarmachung der Umgebungsluft oder sonstigem Gas bis dato dessen Anwendungsbereiche stark begrenzt.A disadvantage of the prior art engine is, in particular, that the oxidizer must be carried by the engine, which results in a high takeoff weight, for which a large part of the combustion energy must be used. Another disadvantage is that once started combustion process can not be stopped. It is also a disadvantage that an extension of the Raktetenantriebs to the utilization of the ambient air or other gas until now severely limits its applications.
Ein Propeller ist ein Antrieb durch Flügel, die um eine axiale Welle meist radial positioniert sind. Insbesondere auch bei Schiffen wird heut von Propellern, denn von Schiffsschrauben gesprochen, was auch hier vorgenommen wird. Flugzeuge, Hubschrauber, Schiffe, Windkraftanlagen und sonstige Derivate im Bereich der Kraftwerkstechnik arbeiten dem gleichen Prinzip. Variabel ist, ob der Luftströmung Leistung entzogen wird durch die Propeller oder ob die Luftströmung angetrieben werden soll. Propeller nehmen die mechanische Arbeit auf und geben diese mechanische Arbeit als Strömungsenergie wieder an das sie umgebende Medium ab. Die Flügel eines Propellers sind derart ausgestaltet und positioniert, dass sie bei ihrer Drehbewegung um eine axiale Welle vom umgebenden Aggregat, d. h. Luft, Fluide so umströmt werden, dass die Flügel des Propellers unter anderem dynamischen Auftrieb erfahren, was in einer Drehbewegung der axialen Welle mündet, was Schub erzeugt. Ein Propeller kann als sogenannter Druck- oder Zugpropeller ausgelegt sein.A propeller is a drive by wings, which are usually positioned radially about an axial shaft. Especially in ships today is spoken by propellers, because of propellers, which is also made here. Airplanes, helicopters, ships, wind turbines and other derivatives in the field of power plant technology work on the same principle. It is variable whether the air flow power is withdrawn by the propeller or whether the air flow is to be driven. Propellers absorb the mechanical work and return this mechanical work as flow energy to the surrounding medium. The blades of a propeller are designed and positioned so that they are flowed around in rotation about an axial shaft from the surrounding aggregate, ie air, fluids so that the wings of the Among other dynamic propeller experience, which results in a rotational movement of the axial shaft, which generates thrust. A propeller can be designed as a so-called push or pull propeller.
Nachteilig ist am Propeller: Die tangentiale Komponente des Auftriebs verursacht Strömungswiderstand, was ein hohes Drehmoment erfordert, das der Antrieb über die axiale/koaxiale Welle liefern muss, und das den Rotorabstrahl in Drehung versetzt. Schnell drehende Propeller führen ferner zur sogenannten Kavitation am Propeller, die den Propeller mechanisch schädigt. Auch bilden sich in Luft und auch in Wasser Wirbel an den Flügelspitzen eines Propellers. Diese Wirbel sind ein Teil der Leistung, die der Propeller nicht für seinen Einsatzzweck nutzen kann, was den Wirkungsgrad verringert.The disadvantage of the propeller is that the tangential component of the buoyancy causes flow resistance, which requires a high torque, which the drive must deliver via the axial / coaxial shaft, and which sets the rotor radiation in rotation. Fast rotating propellers also lead to so-called cavitation on the propeller, which mechanically damages the propeller. Also, in the air and in water, vortices form on the wing tips of a propeller. These vortices are part of the performance that the propeller can not use for its intended purpose, which reduces efficiency.
Strahltriebwerke werden selten außerhalb der Luftfahrt verwendet. Entsprechende Derivate außerhalb der Luftfahrt sind die Gasturbine, für den Antrieb eines Generators zur Stromerzeugung oder einer anderen Arbeitsmaschine umgestaltet wurde. Der Einsatz erfolgt stationär oder mobil, d. h. in Kraftwerken zur Stromerzeugung bzw. auf Schiffen. Statt einer Schubdüse ist eine Niederdruckturbine nachgeschaltet, in der das Abgas sich ausdehnt und entspannt wird und so die Nutzleistung über eine axiale Welle an den Generator oder die Arbeitsmaschine abgibt. Bei Zweistrom-Triebwerken wird der Fan durch einen Niederdruckverdichter ersetzt.Jet engines are rarely used outside aviation. Corresponding non-aviation derivatives are the gas turbine that has been redesigned to power a power generator or other work machine. The use is stationary or mobile, d. H. in power plants for power generation or on ships. Instead of a thrust nozzle, a low-pressure turbine is connected downstream, in which the exhaust gas expands and is relaxed and thus delivers the useful power via an axial shaft to the generator or the working machine. In turbofan engines, the fan is replaced by a low-pressure compressor.
Ein Turbolader besteht aus zwei Turbinen, Abgas- und Verdichterturbine. Dabei wandelt eine Abgasturbine im Abgasstrom die kinetische Energie der Abgasbestandteile, die nach der Verbrennung aus der Verbrennungskammer strömen, in eine Drehbewegung um. Diese Drehbewegung wird über eine Welle axial auf eine zweite Turbine übertragen, die ebenfalls an der axialen Welle befestigt vorliegt. Diese hier nachfolgend benannte Turbolader-Verdichterturbine saugt Außenluft an und verdichtet diese Außenluft, welche dann dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Die Verbrennung von verdichteter Luft in der Verbrennungskammer führt zu einer Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors. Allerdings tritt diese Leistungssteigerung in der Regel erst bei hohen Motordrehzahlen auf, wenn ein hinreichend starker Abgasstrom vorliegt. Ferner erfordert der Aufbau des Turboladers mit zwei Turbinen in einem begrenzten Bauraum Platz, der anderweitig nutzbar sein könnte. Dies gilt umso mehr, als die dem Stand der Technik entsprechende Variabilität der Turbinengeometrie im Abgasstrom oder sonstigen Gas- oder Fluidstrom ebenso Bauraum benötigt.A turbocharger consists of two turbines, exhaust and compressor turbines. In this case, an exhaust gas turbine in the exhaust gas flow converts the kinetic energy of the exhaust gas components which flow out of the combustion chamber after combustion into a rotational movement. This rotational movement is transmitted via a shaft axially to a second turbine, which is also attached to the axial shaft. This turbocharger compressor turbine, hereinafter referred to, sucks in outside air and compresses this outside air, which is then supplied to the internal combustion engine. The combustion of compressed air in the combustion chamber leads to an increase in the power of the internal combustion engine. However, this increase in performance usually occurs only at high engine speeds, if a sufficiently strong exhaust gas flow is present. Furthermore, the construction of the turbocharger with two turbines in a limited space requires space that could be used elsewhere. This is all the more so as the state of the art corresponding variability of the turbine geometry in the exhaust stream or other gas or fluid flow also requires space.
Ausgehend vom Stand der Technik ist ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung oder einer oder mehrerer mit ihr verbundener Vorrichtung bzw. Vorrichtungen zunächst, die oben Nachteile des Standes der Technik abzumildern, zu verringern oder zu verhindern bzw. den Wirkungsgrad des Standes der Technik zu erhöhen.Starting from the prior art, it is an object of the present invention or one or more associated with it device or devices first, the above disadvantages of the prior art to alleviate, reduce or prevent or to increase the efficiency of the prior art.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, die im Abgasstrom, im Fluid, Oxidator, Gastrom (der kein Abgasstrom ist) als kinetische oder thermische Energie vorliegende Energie für die Beschleunigung eines Körpers nutzbar zu machen und zu verwenden und/oder als elektrische Energie zur weiteren Verwendung nutzbar zu machen und zu verwenden oder für immobile Vorrichtungen zur Gewinnung elektrischer Energie nutzbar zu machen und zu verwenden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung oder mit dieser Erfindung verbundenen Vorrichtung bzw. Vorrichtungen, eine Vorrichtung bereitzustellen, die kinetische Energie eines Abgasstroms, bzw. eines Fluids oder eines Gasstroms insbesondere eines Oxidators, in elektrische Energie umzuwandeln und so den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors erhöht und/oder eine Vorrichtung bereitzustellen, die die Gasen und Fluiden innewohnende Energie durch Umwandlung als elektrische Energie nutzbar macht oder für die Beschleunigung eines Körpers genutzt werden kann.The object of the present invention is, in particular, to utilize and utilize the energy present as kinetic or thermal energy in the exhaust gas flow, in the fluid, oxidizer, gas stream (which is not an exhaust gas stream) for the acceleration of a body and / or as electrical energy for further purposes To harness and use it or to make it usable and to use it for immobile devices for the production of electrical energy. It is in particular the object of the present invention or devices connected to this invention to provide a device which converts the kinetic energy of an exhaust gas stream, or of a fluid or a gas stream, in particular of an oxidizer, into electrical energy and thus increases the efficiency of an internal combustion engine and / or to provide a device that harnesses the energy inherent in the gases and fluids by converting them to electrical energy or can be used to accelerate a body.
Eine Turbine im Sinne der Erfindung ist ein Schaufelrad, ein Turbinenrad, eine Dampfturbine, Gasturbine, Radialturbine, Spiralturbine, Propellerturbine oder eine Turbine, die sich im Abgasrohr eines Verbrennungsmotors befindet sowie Propeller. Turbine im Sinne der Erfindung ist ferner der Verdichter, der Fan und Schaufelräder, Turbinenräder in Strahltriebwerken, Staustrahltriebwerken, kombinierten Strahl- und Staustrahltriebwerken, Raketentriebwerken bzw. in derartigen stationären Vorrichtungen. Im Sinne der Erfindung ist sie weiter Vorrichtung zur Umwandlung kinetischer Energie und Bewegungsenergie in elektrische Energie.A turbine according to the invention is a paddle wheel, a turbine wheel, a steam turbine, gas turbine, radial turbine, spiral turbine, propeller turbine or a turbine, which is located in the exhaust pipe of an internal combustion engine and propeller. Turbine in the context of the invention is also the compressor, the fan and paddle wheels, turbine wheels in jet engines, ramjet engines, combined jet and ramjet engines, rocket engines or in such stationary devices. For the purposes of the invention, it is further device for converting kinetic energy and kinetic energy into electrical energy.
Das Abgasrohr verbindet die Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors mit der Außenluft. Die bei der Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors entstehenden Abgase werden von dort an die Umgebung abgeführt. Dies geschieht bedingt durch die Druck- und Temperaturverhältnisse in der Verbrennungskammer des Motors mit einer großen Geschwindigkeit des Abgasstroms und bei hohen Temperaturen.The exhaust pipe connects the combustion chamber of the internal combustion engine with the outside air. The resulting in the combustion of an air-fuel mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine exhaust gases are discharged from there to the environment. This occurs due to the pressure and temperature conditions in the combustion chamber of the engine with a high velocity of the exhaust stream and at high temperatures.
Erfindungsgemäß prallen die Abgasbestandteile dabei auf die Turbinenschaufeln der Abgasturbine und versetzen diese in Bewegung, indem sie ihre kinetische Energie auf die Abgasturbine übertragen. So entsteht eine Drehbewegung der Abgasturbine. According to the invention, the exhaust gas components impinge on the turbine blades of the exhaust gas turbine and set them in motion by transmitting their kinetic energy to the exhaust gas turbine. This creates a rotational movement of the exhaust gas turbine.
Erfindungsgemäß prallen Fluide, und Gase, die keine Abgase sind, auf die Turbinenschaufeln der Turbine bzw. auf die Propeller und versetzen diese in Bewegung, indem sie ihre kinetische Energie auf die Abgasturbine/Propeller übertragen und so eine Drehbewegung der Abgasturbine bzw. des Propellers entsteht.According to the invention, fluids and non-exhaust gases impinge on the turbine blades of the turbine or on the propellers and set them in motion by transmitting their kinetic energy to the exhaust gas turbine / propeller, thus producing a rotational movement of the exhaust gas turbine or propeller ,
Die Drehbewegung der Turbinenschaufel wird also dadurch erzeugt, dass der von der kinetischen Energie der Abgase/des Fluids/des ausgehende Druck die einzelnen Schaufeln der Turbine ihrer jeweiligen Position abdrängt und die einzelnen Schaufeln auf der Turbine die Turbine in eine Drehbewegung versetzen.The rotational movement of the turbine blade is thus generated by the fact that the individual blades of the turbine of the kinetic energy of the exhaust / the fluid / of the outgoing pressure pushes their respective position and the individual blades on the turbine set the turbine in a rotary motion.
Gelöst wird diese Aufgabe weiter durch die Merkmale der unten benannten Ansprüche.This object is further achieved by the features of the claims below.
Überraschend ist, dass die erfindungsgemäße Turbine eine in ihrem Mittelpunkt axial oder koaxial befindliche Welle nicht benötigt. Die erfindungsgemäße Turbine überrascht mit einer konzentrisch exzentrischen Lagerung, die ohne in ihrem Zentrum positionierte Welle zur Übertragung der Drehbewegung ausgestaltet ist und axial zum Abgasstrom positioniert ist. Dies bedeutet, dass die Turbine eine Drehbewegung dadurch erzeugt, dass die Turbinenschaufeln, die ebenfalls exzentrisch im Außenrand der Turbine gelagert sind, durch die kinetische und thermische Energie des Abgasstrahls aufgrund des hohen Drucks und der hohen Geschwindigkeit desselben die exzentrisch gelagerte Turbine in eine drehende Bewegung versetzen. Überraschend ist, dass die Drehbewegung der exzentrisch gelagerten Turbine im Eingriffskörper effektiv ermöglicht werden kann. Das heißt überraschenderweise, das Abgasrohr fungiert im Rahmen dessen als Aufnahmevorrichtung für die Turbine.It is surprising that the turbine according to the invention does not require a shaft located axially or coaxially in its center. The turbine according to the invention surprises with a concentric eccentric bearing, which is configured without transmitting a shaft positioned in its center for transmitting the rotational movement and is positioned axially relative to the exhaust gas flow. This means that the turbine produces a rotational movement in that the turbine blades, which are also eccentrically mounted in the outer edge of the turbine, the kinetic and thermal energy of the exhaust jet due to the high pressure and the high speed of the turbine eccentrically mounted in a rotating movement offset. It is surprising that the rotational movement of the eccentrically mounted turbine can be effectively enabled in the engagement body. That is, surprisingly, the exhaust pipe acts as part of this as a receiving device for the turbine.
Überraschend ist, dass die exzentrisch gelagerte Turbine, die axial zum Abgasstrom positioniert ist, als Abgasturbine mit mindestens einer Turbine, die ein Fan ist und/oder mit mindestens einer Turbine, die ein Verdichter ist, verbunden werden kann. Es ist absolut überraschend, ein Strahltriebwerk einzig aus exzentrisch gelagerten und axial zum Abgasstrom positionierten Turbinen auszustatten. Es ist hierbei auch überraschend, dass die als Fan und/oder Verdichter verwendete Turbine effektiv im Eingriffskörper so gelagert werden, dass sowohl die Drehbewegung dieser Turbinen als auch die Effektivität der sich aus den Turbinen ergebenden Vorrichtung nicht nur aufrecht erhalten bleibt, sondern auch gesteigert werden kann. Es ist ferner überraschend, dass eine erfindungsgemäße Turbine, die fest exzentrisch im Eingriffskörper positioniert ist, also nicht drehbar ist, die Aufgaben eines Stators, der nach dem bisherigen Stand der Technik axial gelagert ist, effektiv übernehmen bzw. ausweiten kann.It is surprising that the eccentrically mounted turbine, which is positioned axially relative to the exhaust gas flow, can be connected as an exhaust gas turbine with at least one turbine, which is a fan and / or with at least one turbine, which is a compressor. It is absolutely surprising to equip a jet engine solely with eccentrically mounted turbines positioned axially to the exhaust gas flow. It is also surprising that the turbine used as a fan and / or compressors are effectively stored in the engaging body so that both the rotational movement of these turbines and the effectiveness of the turbine resulting device not only maintained, but also increased can. It is also surprising that a turbine according to the invention, which is positioned fixed eccentrically in the engagement body, that is not rotatable, effectively take over or extend the tasks of a stator which is mounted axially in the prior art.
Überraschend ist ferner, dass ein axial zum Zustrom des einströmenden Oxidators oder Gases, insbesondere Luft, positionierter konzentrisch exzentrisch gelagerter erfindungsgemäßer Fan mit zum Zentrum des Kreisrund, also radial ausgerichteten Turbinenschaufeln konstruiert werden kann und/oder dass ein solch erfindungsgemäßer Turbofan mit sich vom Zentrum des Kreisrund entfernend und ebenso radial ausgerichteten Turbinenschaufeln konstruiert werden kann.It is furthermore surprising that an axially concentric eccentrically mounted fan according to the invention positioned concentrically with the inflowing oxidizer or gas, in particular air, can be constructed with the center of the circular, ie radially oriented turbine blades and / or that such a turbofan according to the invention can be carried away from the center of the turbine Circular removal and also radially oriented turbine blades can be constructed.
Überraschend bezüglich dieses erfindungsgemäßen Turbofans ist, dass ein mit zum Zentrum des Kreisrund, also radial ausgerichteten Turbinenschaufeln konstruierter Turbofan durch geeignete Über- oder Untersetzungsgetriebe oder aber durch starre Verbindung mit mindestens einem weiteren Turbofan derart verbunden werden kann, dass sich auf einem außerhalb des Außenrandes des ersten erfindungsgemäßen Fans konzentrisch mindestens ein weiterer erfindungsgemäßer Fan, der mit von dessen Rand und vom fiktiven Mittelpunkt der Turbine sich radial entfernenden Turbinenschaufeln konstruiert ist, verbunden werden kann.It is surprising with respect to this turbofan according to the invention that a turbofan constructed with the center of the circular, ie radially aligned turbine blades can be connected to at least one further turbofan by suitable over or reduction gears or by rigid connection, such that on one outside the outer edge of the turbine first fans according to the invention concentrically at least one further fan according to the invention, which is constructed with its edge and the fictitious center of the turbine radially removing turbine blades, can be connected.
Überraschend bezüglich dieses erfindungsgemäßen Turbofans ist auch, dass dieser mit mindestens einem axial zum Zustrom des einströmenden Oxidators oder Gases ausgerichteten und konzentrisch exzentrisch gelagerten Verdichter verbunden werden kann. Überraschend ist, dass der Verdichter in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbine ebenso mit radial zum Mittelpunkt ausgerichteten Turbinenschaufeln und/oder mit radial sich vom Mittelpunkt entfernenden Turbinenschaufeln konstruiert werden kann. Auch hier überrascht es, dass der erfindungsgemäße Fan als auch der erfindungsgemäße Verdichter im Eingriffskörper effektiv gelagert werden können und/oder durch Getriebe, die am Außenrand von diesem Fan und Verdichter positioniert sind oder durch Wellen, die am Außenrand von diesem Fan und Verdichter positioniert sind, verbunden werden.It is also surprising with respect to this turbofan according to the invention that it can be connected to at least one compressor which is axially aligned with the inflow of the incoming oxidizer or gas and concentrically eccentrically mounted. It is surprising that in one embodiment of the turbine according to the invention the compressor can also be constructed with turbine blades aligned radially to the center and / or with turbine blades radially remote from the center. Again, it is surprising that the fan according to the invention as well as the compressor according to the invention can be effectively stored in the engaging body and / or by gears that are positioned on the outer edge of this fan and compressor or by waves that are positioned on the outer edge of this fan and compressor , get connected.
Überraschend ist, dass eine erfindungsgemäße Abgasturbine, ein erfindungsgemäßer Fan oder ein erfindungsgemäßer Verdichter im Verbund mit einem axial zum Zustrom des einströmenden Oxidators oder Gases und konzentrisch exzentrisch oder zentriert gelagerten Stator erfindungsgemäß funktionieren, wobei der gekennzeichnete Stator zwischen mehreren oder vor oder nach nach mindestens einem erfindungsgemäßen Verdichter positioniert werden kann. It is surprising that an exhaust gas turbine according to the invention, a fan according to the invention or a compressor according to the invention in combination with a stator mounted axially to the inflowing oxidizer or gas and concentrically eccentric or centered according to the invention, wherein the marked stator between several or before or after at least one inventive compressor can be positioned.
Überraschend ist insbesondere, dass die vorbenannten Ausführungsformen der Turbine, die axial zum Abgasstrom ausgerichtet ist, nicht lediglich exzentrisch konstruiert und gelagert an ihrem Außenrand in der zweidimensionalen Grundform eines konzentrischen Kreisrunds ausgeführt werden kann, sondern auch exzentrisch konstruiert und gelagert in der Grundform einer konzentrischen Ellipse oder eines entsprechend exzentrisch konstruierten und gelagerten beliebigen Ovals oder einer entsprechend exzentrisch konstruierten und gelagerten konvexen Verbindungsstrecke ausgeführt werden kann. Aufgrund dessen ist es überraschend, dass eine Ausführungsform der Turbine mit radial zum Zentrum der Turbine ausgerichteten Turbinenschaufeln ebenfalls die vorbenannten Grundformen in ihrer Konstruktion ausführen kann. Daher ist auch überraschend, dass eine weitere Ausführungsform der Turbine auch mit vom Zentrum der Turbine sich radial entfernenden Turbinenschaufeln ebenfalls die vorbenannten Grundformen in ihrer Konstruktion beachtend ausgeführt werden kann. Die hierfür erforderliche Ausführung der Lagerung der erfindungsgemäßen Ausführungsvariante der Turbine als auch der Turbinenschaufeln ist überraschend.Surprisingly, in particular, that the aforementioned embodiments of the turbine, which is aligned axially to the exhaust flow, not only eccentrically constructed and stored at its outer edge in the two-dimensional basic shape of a concentric circular can be performed, but also eccentrically constructed and stored in the basic form of a concentric ellipse or a corresponding eccentrically constructed and stored arbitrary oval or a correspondingly eccentrically constructed and mounted convex connecting link can be performed. Because of this, it is surprising that an embodiment of the turbine with turbine blades aligned radially to the center of the turbine can also perform the aforementioned basic shapes in their construction. Therefore, it is also surprising that a further embodiment of the turbine also with the turbine blades radially removing from the center of the turbine also the aforementioned basic shapes can be executed respecting their construction. The design of the bearing of the turbine and turbine blades according to the invention required for this purpose is surprising.
Hierbei ist überraschend, dass die zum Zentrum ausgerichteten Turbinenschaufeln in einem Abgasstrom, Gasstrom oder einem Fluidstrom, der durch ein Rohr fließt, positioniert sind, die nach außen, vom Zentrum sich entfernenden Turbinenschaufeln einem separat vom Abgas-, Gas- oder Wasserstrom des innen liegenden Rohrs ausgesetzt werden können. Dadruch kann der außenliegende Turbinenteil thermische oder kinetische Energie des im inneren Rohr fließenden Abgas-, Gas- oder Fluidstroms umwandeln bzw. umlenken und so überraschenderweise den Wirkungsgrad der mit ihr verbundenen Vorrichtungen erhöhen.It is surprising that the turbine blades oriented toward the center are positioned in an exhaust stream, gas stream or fluid stream flowing through a pipe, the turbine blades outwardly away from the center separate from the exhaust, gas or water stream of the interior Pipe can be suspended. As a result, the outer turbine part can convert or redirect thermal or kinetic energy of the exhaust gas, gas or fluid flow flowing in the inner tube and thus surprisingly increase the efficiency of the devices connected to it.
Überraschend ist, dass mindestens jeweils eine der benannten Ausführungsformen der Turbine als auch den damit verbundenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Turbinenschaufeln in einer weiteren vorteilhaften Ausführung mit mindestens einer axial oder koaxial gelagerten Abgasturbine, mindestens einem einer axial oder koaxial gelagerten Turbofan, mit mindestens einem einer axial oder koaxial gelagerten Verdichter, mit keinem oder mindestens einem einer axial oder koaxial gelagerten Stator und mindestens einem Abgasrohr kombiniert konstruiert werden können. Dadurch besteht zunächst die Möglichkeit, den Schub einer Vorrichtung, die zusätzlich mit den erfindungsgemäßen Turbinen konstruiert aufgebaut ist, und damit den Wirkungsgrad einer solchen Vorrichtung signifikant zu erhöhen bzw. den Verbrauch an Verbrennungsstoffen nicht nur geringfügig zu verringern. Hierbei ist je nach Verwendungszweck einer dartig aufgebauten Vorrichtung eine Erhöhung der Transportleistung und eine spezialisiertere Konstruktion dieser Vorrichtung gegeben.It is surprising that at least one of the named embodiments of the turbine and the associated embodiments of the turbine blades according to the invention in a further advantageous embodiment with at least one axially or coaxially mounted exhaust gas turbine, at least one axially or coaxially mounted turbofan, with at least one of an axial or Coaxially mounted compressor, with no or at least one of an axially or coaxially mounted stator and at least one exhaust pipe combined can be constructed. This initially makes it possible to significantly increase the thrust of a device which is additionally constructed with the turbines according to the invention, and thus to significantly increase the efficiency of such a device or not only to slightly reduce the consumption of combustion materials. Here, depending on the intended use of a device constructed like a dartig, there is an increase in the transport capacity and a more specialized construction of this device.
Auch ein Raketentriebwerk stößt einen Abgasstrom mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit aus, um dem Prinzip des Rückstoßes folgend, Schub zu erfolgen, um die für das Verlassen des Orbits der Erde bzw. eines Planeten notwendige Fluchtgeschwindigkeit erreichen zu können. Dabei ist überraschend, dass mindestens ein erfindungsgemäßer Fan, direkt oder mithilfe einer Über-/Untersetztung verbunden mit einer erfindungsgemäßen Abgasturbine, die im Abgasstrahl des Raketenantriebs positioniert ist, weiteren Schub in der Lage ist zu erzeugen. Auch ein erfindungsgemäß ausgeführter Fan mit radial vom Zentrum sich entfernenden Turbinenschaufeln kann in einer weiteren Ausführung mit einem Raketentriebwerk verbunden werden. Dadurch kann der dem Raketenantrieb innewohnende konstruktive Nachteil abgemildert werde bzw. die ungenutzte kinetische und thermische Energie des Abgasstrahl des Raketentriebwerks verwendet werden kann, um Schub zu erzeigen. Im Rahmen dessen ist überraschend, dass auch hier die erfindungsgemäß verwendeten Turbinen nicht an die Grundform eines Kreisrund gebunden sind, sondern auch hier die Grundform eine Ellipse oder ein beliebigen Oval oder eine konvexen Verbindungsstrecke sein kann.Also, a rocket engine emits a high pressure, high velocity exhaust stream in response to the principle of recoil to provide thrust to achieve the escape velocity necessary for leaving Earth or orbit planet orbit. It is surprising that at least one inventive fan, directly or by means of an over / under substitution connected to an exhaust gas turbine according to the invention, which is positioned in the exhaust gas jet of the rocket drive, further thrust is able to produce. A fan designed in accordance with the invention with turbine blades that radially separate from the center can also be connected to a rocket engine in a further embodiment. As a result, the structural disadvantage inherent in rocket propulsion can be mitigated or the unused kinetic and thermal energy of the exhaust jet of the rocket engine can be used to provide thrust. In this context, it is surprising that here too the turbines used according to the invention are not bound to the basic shape of a circular circumference, but here too the basic shape can be an ellipse or an arbitrary oval or a convex connecting path.
Eine Kombination einer auf den zuvor beschriebenen Ausführungen der Turbinen, soweit sie insbesondere in einem hierauf aufbauenden Strahl- und/oder Staustrahltriebwerk enthalten sind, mit einem Raketentriebwerk ist durch die Erfindung überraschenderweise umsetzbar.A combination of the previously described embodiments of the turbines, insofar as they are contained in particular in a jet and / or ramjet engine based thereon, with a rocket engine can be surprisingly implemented by the invention.
Ein Propeller, der seinem Prinzip entsprechend ebenso eine Drehbewegung aufgrund eines auf ihn einströmenden oder von ihm beschleunigten Gases oder Fluides erzeugt, ist überraschenderweise nach dem gleichen Prinzip der erfindungsgemäßen Turbine konstruierbar. Insbesondere ist überraschend für einen erfindungsgemäßen Propeller, dass mindestens ein Schaufelblatt, das axial zum Zustrom des Gases oder Fluides positioniert ist, überraschenderweise entweder in seiner Grundform konzentrisch auf einem Kreisrund oder auf einer Ellipse oder einem beliebigen Oval oder einer konvexen Verbindungsstrecke aufbauen und dementsprechend erfindungsgemäß exzentrisch gelagert werden kann. Überraschend ist ferner, dass eine erfindungsgemäße Ausführung der Abgasturbine mit einem Propeller, in erfindungsgemäßer oder in klassischer Ausführung, verbunden werden kann. Insbesondere die bei nicht erfindungsgemäßen Propellern gegebenen Nachteile der Kaviation bzw. der Wirbelbildung an den Flügelspitzen kann durch die erfindungsgemäßen Ausführungen verringert oder verhindert werden bzw. der Wirkungsgrad von Propellern in Gasen oder Fluiden erhöht werden.A propeller, which according to its principle also generates a rotational movement due to a gas or fluid flowing in or accelerated by it, can surprisingly be constructed according to the same principle of the turbine according to the invention. In particular, it is surprising for a propeller according to the invention that at least one airfoil, which is positioned axially to the influx of gas or fluid, surprisingly either in its basic form concentrically on a circular or ellipse or any oval or a convex connecting link build up and Accordingly, according to the invention can be mounted eccentrically. It is furthermore surprising that an embodiment of the exhaust gas turbine according to the invention can be connected to a propeller, in accordance with the invention or in a classical design. In particular, given in non-inventive propellers disadvantages of cavitation or vortex formation at the wing tips can be reduced or prevented by the embodiments of the invention or the efficiency of propellers in gases or fluids can be increased.
Überraschend ist, dass in einer weiteren vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Turbinen ein Abgasturbolader konstruierbar ist, dessen Abgas- und Verdichterturbine dem konstruktiven Aufbau der erfindungsgemäßen Turbine folgt, also diese übernimmt. Überraschend ist ferner im Rahmen dessen, dass diese weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Turbine verbunden werden kann mit axial gelagerten Abgas- und/oder Verdichterturbinen verbunden werden kann. Insbsondere überrascht, dass auch für diese Ausführung der erfindungsgemäßen exzentrisch gelagerten Turbine(n) diese konzentrisch auf einem Kreisrund oder konzentrisch auf einer Ellipse oder konzentrisch auf einer sonstigen konvexen Verbindungsstrecke ausgestaltet werden kann.It is surprising that in a further advantageous embodiment of the turbines according to the invention, an exhaust gas turbocharger is constructible, the exhaust and compressor turbine follows the structural design of the turbine according to the invention, so this takes over. Surprisingly, furthermore, in the context of the fact that this further embodiment of the turbine according to the invention can be connected with axially mounted exhaust gas and / or compressor turbines can be connected. In particular, it is surprising that also for this embodiment of the eccentrically mounted turbine (s) according to the invention, these can be designed concentrically on a circular or concentric on an ellipse or concentrically on another convex connecting path.
Für die vorbenannten Ausgestaltungen der Erfindung wird bevorzugt, dass die beanspruchte Vorrichtung im Verbrennungsmotor eines Verbrauchers betrieben wird, wobei als Verbraucher PKW, LKW, Busse, landwirtschaftliche Zugmaschinen, Hybrid-Fahrzeuge, Brennstoffzellen-Fahrzeuge Schiffe, Unterseeschiffe, Flugzeuge, Hubschrauber, Fluchtgeschwindigkeitsfahrzeuge insbesondere Raketen, Kraftwerke, Windkraftwerke, Windräder oder Wasserstrahlantriebe in Betracht kommen. Es kommen darüber hinaus als Verbraucher alle Fahrzeug- und Maschinentypen in Frage, die über einen Abgasstrom mit hoher Geschwindigkeit verfügen, dessen Energie ungenutzt bleibt und daher als Abwärme und kinetische Energie des Abgasstroms an die Umgebung abgegeben wird und so dem Verbraucher nicht mehr zur Verfügung steht. Es kommen ferner als Verbraucher alle Fahrzeug- oder Maschinentypen in Frage, die über einen Zustrom von Oxidatoren, Gasen oder mit hoher Geschwindigkeit verfügen und ebenso als Abwärme und kinetische Energie aber des Zustroms der Oxidatoren, Gase oder an die Umgebung abgeben bzw. auf die Erfindung zuführen. Es war vollkommen überraschend, dass die erfindungsgemäß Vorrichtung in all diesen Verbrauchern zur Verbesserung des Wirkungsgrades dienen kann.For the aforementioned embodiments of the invention, it is preferred that the claimed device be operated in the internal combustion engine of a consumer, wherein as a consumer cars, trucks, buses, agricultural tractors, hybrid vehicles, fuel cell vehicles, ships, submarines, aircraft, helicopters, Escape speed vehicles, in particular missiles , Power plants, wind power plants, wind turbines or water jet drives come into consideration. There are also consumers as all vehicle and machine types in question, which have a high-velocity exhaust gas flow, the energy remains unused and therefore discharged as waste heat and kinetic energy of the exhaust stream to the environment and so the consumer is no longer available , There are also consumers as all vehicle or machine types in question, which have an influx of oxidizers, gases or high speed and as waste heat and kinetic energy but the influx of oxidizers, gases or give to the environment or on the invention respectively. It was completely surprising that the device according to the invention can serve to improve the efficiency in all these consumers.
Gelöst wird die oben benannte Aufgabe weiter durch die Merkmale der unten benannten Ansprüche und die folgenden Ansprüche:
Elektrische Energie wird üblicherweise durch die Verbindung einer axialen oder koaxialen Abgasturbine, die durch eine drehbaren ersten Welle mit einem Dynamo, der elektrischen Strom erzeugen kann, aus der kinetischen Energie des Abgasstroms umgewandelt.The above object is further achieved by the features of the claims below and the following claims:
Electrical energy is usually converted by the connection of an axial or coaxial exhaust gas turbine, which can generate electrical current through a rotatable first shaft with a dynamo, from the kinetic energy of the exhaust gas flow.
Der Wirkungsgrad einer Vorrichtung zur Umwandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie liegt zwischen Werten von 0 bis 1, wobei größere Werte ein größeres Maß der umgewandelten Energie darstellen und kleinere auf eine geringeres Maß. Gelöst wird diese Aufgabe weiter durch die Merkmale der unten benannten Ansprüche.The efficiency of a kinetic energy to electrical energy conversion device is between 0 to 1, with larger values representing a greater measure of converted energy and smaller ones to a lesser extent. This object is further achieved by the features of the claims below.
Gelöst wird diese Aufgabe weiter durch die Merkmale der unten benannten Ansprüche.This object is further achieved by the features of the claims below.
Erfindungsgemäß wird danach eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, die mindestens ein Abgasrohr, eine exzentrisch gelagerte Abgasturbine, eine drehbare erste Welle und einen Dynamo umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abgasturbine im Abgasstrom angeordnet vorliegt, der Abgasstrom durch mindestens ein Abgasrohr aus einer Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors an die Außenluft oder die Umgebung abgeführt wird und die Abgasturbine, deren Schaufelblätter in der exzentrischen Lagerung, d. h. auf einer konzentrischen, elliptischen oder konvexen Verbindungsstrecke, fixiert sind und an dieser Verbindungsstrecke durch eine Welle, ein Getriebe mit dem Dynamo verbunden ist. Drehbewegungen und Drehmomente, also Kräfte, werden so von der Abgasturbine auf den Dynamo übertragen. Die Verbindungsstelle zwischen jeweils einer Turbine und einer Welle wird als Stirnseite der exzentrisch gelagerten Abgasturbine bezeichnet. An dieser Verbindungsstelle zwischen Turbine und Welle kommt es zur Übertragungder Bewegung und der damit verbundenen kinetischen Energie zwischen den Bauteilen. Darüber hinaus wird die Abgasturbine und der Dynamo unter anderem an dieser Verbindungsstelle, also der Stirnseite der Abgasturbine, gelagert.According to the invention a device for recovering electrical energy from an exhaust gas stream of an internal combustion engine is proposed, comprising at least one exhaust pipe, an eccentrically mounted exhaust gas turbine, a rotatable first shaft and a dynamo and is characterized in that the exhaust gas turbine is present in the exhaust stream, the exhaust gas flow through at least one exhaust pipe is discharged from a combustion chamber of the internal combustion engine to the outside air or the environment and the exhaust gas turbine, whose blades in the eccentric bearing, d. H. are fixed on a concentric, elliptical or convex connecting path, and at this connecting section by a shaft, a transmission is connected to the dynamo. Rotary movements and torques, ie forces, are thus transferred from the exhaust gas turbine to the dynamo. The junction between each of a turbine and a shaft is referred to as the end face of the eccentrically mounted exhaust gas turbine. At this junction between turbine and shaft, the motion and associated kinetic energy is transferred between the components. In addition, the exhaust gas turbine and the dynamo, inter alia, at this junction, so the front of the exhaust gas turbine, stored.
Ein Dynamo im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung, mit der kinetische Energie, hier die Drehbewegung, mittels des Prinzips der elektromagnetischen Induktion in elektrische Energie umwandelt. Durch die Drehbewegung der Abgasturbine wird die drehbare erste Welle bzw. das Getriebe in Bewegung gesetzt und überträgt die Drehbewegung auf den Dynamo. Vorzugsweise befindet sich dieser außerhalb des Abgasstroms.A dynamo within the meaning of the invention is a device with which kinetic energy, in this case the rotational movement, is converted into electrical energy by means of the principle of electromagnetic induction. Due to the rotational movement of the exhaust gas turbine, the rotatable first shaft or the transmission is set in motion and transmits the rotational movement to the dynamo. Preferably, this is outside the exhaust stream.
Anders als eine dem Stand der Technik bekannte Abgasturbine besteht die Erfindung bzw. erfindungsgemäße Vorrichtung nicht aus axial oder koaxial gelagerten Turbinen, Abgas- und Verdichterturbine, sondern aus exzentisch gelagerten Abgasturbinen, die eine kreisrunde, elliptische oder sonst konvexe Verbindungsstrecke in ihrer zweidimensionalen Grundform ausweisen und dem Dynamo. Unlike an exhaust gas turbine known in the prior art, the invention or device according to the invention does not consist of axially or coaxially mounted turbines, exhaust and compressor turbine, but of eccentrically mounted exhaust gas turbines, which identify a circular, elliptical or otherwise convex connecting path in its two-dimensional basic form and the dynamo.
Damit kann es beim Einsatz der Vorrichtung auch nicht zu dem im Stand der Technik beschriebenen Problem kommen, dass bei Unterdruck Motoröl aus dem Lager der Verdichter-Turbine angesaugt wird und in die Verbrennungskammer des Motors gelangt. Insbesondere erhöht sich der Wirkungsgrad des eingesetzten Verbrennungsstoffes durch die neben der Verbrennung zusätzliche und nachfolgende Umwandlung in elektrische Energie.Thus, it can not come to the problem described in the prior art when using the device that at low pressure engine oil is sucked from the camp of the compressor turbine and enters the combustion chamber of the engine. In particular, the efficiency of the combustion material used increases by the addition of combustion additional and subsequent conversion into electrical energy.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es auch bevorzugt sein, dass das Fahrzeug über mehr als ein Abgasrohr verfügt oder das mindestens ein Abgasrohr mit einer Bypass-Leitung versehen ist, um bei zu starkem Abgasstrom Teile des Stromes an der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorbeizuleiten und mit weiteren exzentrisch gelagerten Vorrichtungen verbunden werden.. Eine Bypass-Leitung eines Abgasrohres ist im Sinne dieser Erfindung ein Rohr, das entlang eines definierten Abschnitts des Abgasrohres parallel zu diesem geführt wird und so an das Abgasrohr angeschlossen ist, dass ein Teil des Abgasstroms durch die Bypass-Leitung umgeleitet werden kann. Die Bypass-Leitung beginnt und endet also im Abgasrohr.In a further embodiment of the invention, it may also be preferred that the vehicle has more than one exhaust pipe or the at least one exhaust pipe is provided with a bypass line to pass over parts of the current to the device according to the invention and with further A bypass line of an exhaust pipe is in the context of this invention, a pipe which is guided along a defined portion of the exhaust pipe parallel to this and is connected to the exhaust pipe, that a portion of the exhaust gas flow through the bypass Line can be redirected. The bypass line starts and ends in the exhaust pipe.
Die mindestens ein Mal im Abgasstrom vorliegende exzentrisch gelagerte Abgasturbine wird dabei axial zum Abgasstrom in mindestens einem Abgasrohr oder ausgewähltem oder allen Abgasrohre positioniert. Es war vollkommen überraschend, dass zwar dadurch eine minimale Bremswirkung auf den Abgasstrom sich ergibt, aber die exzentrisch gelagerte Abgasturbine einen Rückstau des Abgasstroms vermeiden kann. Darüber hinaus war es vollkommen überraschend, dass es möglich ist, drehbare erste und weitere axiale oder koaxiale Wellen aus dem Abgasstrom zu entfernen und so die Effizienz der Abgasturbine und mit verbundener Vorrichtungen sowie sich auf ihr aufbauender Vorrichtungen in hohem Maß zu steigern. Damit kann die Erfindung überraschenderweise vollkommen flexibel an die konstruktiven Gegebenheiten innerhalb eines Verbrennungsmotors oder eines mobile oder immobilen Objektes angepasst werden. Es kann auch bevorzugt sein, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Bypass- Leitung angeordnet vorliegt, was die Einsatzflexibilität der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter erhöht.The eccentrically mounted exhaust gas turbine present at least once in the exhaust gas flow is thereby positioned axially relative to the exhaust gas flow in at least one exhaust gas pipe or selected or all exhaust gas pipes. It was completely surprising that although this results in a minimal braking effect on the exhaust gas flow, but the eccentrically mounted exhaust gas turbine can avoid a backflow of the exhaust gas flow. Moreover, it was completely surprising that it is possible to remove rotatable first and further axial or coaxial shafts from the exhaust gas flow and thus to greatly increase the efficiency of the exhaust gas turbine and associated devices as well as devices based thereon. Thus, the invention can be surprisingly completely flexible adapted to the structural conditions within an internal combustion engine or a mobile or immobile object. It may also be preferred that a device according to the invention is arranged in the bypass line, which further increases the versatility of the device according to the invention.
Es ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt, dass die beanspruchte Vorrichtung im Verbrennungsmotor eines Verbrauchers betrieben wird, wobei als Verbraucher PKW, LKW, Busse, landwirtschaftliche Zugmaschinen, Hybrid-Fahrzeuge, Brennstoffzellen-Fahrzeuge Schiffe, Unterseeschiffe, Flugzeuge, Hubschrauber, Fluchtgeschwindigkeitsfahrzeuge insbesondere Raketen, Kraftwerke, Windkraftwerke, Windräder oder Wasserstrahlantriebe denkbar sind. Es kommen darüber hinaus als Verbraucher alle Fahrzeug- und Maschinentypen in Frage, die über einen Abgasstrom mit hoher Geschwindigkeit verfügen, dessen Energie ungenutzt bleibt und daher als Abwärme und kinetische Energie des Abgasstroms an die Umgebung abgegeben wird und so dem Verbraucher nicht mehr zur Verfügung steht. Es kommen ferner als Verbraucher alle Fahrzeug- oder Maschinentypen in Frage, die über einen Zustrom von Oxidatoren, Gasen oder mit hoher Geschwindigkeit verfügen und ebenso als Abwärme und kinetische Energie aber des Zustroms der Oxidatoren, Gase oder an die Umgebung abgeben bzw. auf die Erfindung zuführen. Es war vollkommen überraschend, dass die erfindungsgemäß Vorrichtung in all diesen Verbrauchern zur Verbesserung des Wirkungsgrades dienen kann.It is preferred in a further embodiment of the invention that the claimed device is operated in the internal combustion engine of a consumer, as consumer cars, trucks, buses, agricultural tractors, hybrid vehicles, fuel cell vehicles, ships, submarines, aircraft, helicopters, Escape speed vehicles in particular Rockets, power plants, wind power plants, wind turbines or water jet drives are conceivable. There are also consumers as all vehicle and machine types in question, which have a high-velocity exhaust gas flow, the energy remains unused and therefore discharged as waste heat and kinetic energy of the exhaust stream to the environment and so the consumer is no longer available , There are also consumers as all vehicle or machine types in question, which have an influx of oxidizers, gases or high speed and as waste heat and kinetic energy but the influx of oxidizers, gases or give to the environment or on the invention respectively. It was completely surprising that the device according to the invention can serve to improve the efficiency in all these consumers.
Ein erfindungsgemäßer Verbraucher verfügt in einer bevorzugten Ausführungsform über ein elektrisches Energieversorgungssystem und/oder einen Elektromotor und/oder in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch über eine Batterie, über die die meisten Fahrzeuge als Energiespeicher und Puffer zum Ausgleich unterschiedlicher Spannungen verfügen. Es war vollkommen überraschend, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in allen Verbrauchern eingesetzt werden kann, die technologiebedingt, neben einem Verbrennungs- und einem Elektromotor, über einen Akkumulator zur Speicherung von elektrischer Energie verfügen. Es war vollkommen überraschend, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner in allen Verbrauchern eingesetzt werden kann, die technologiebedingt über einem Elektromotor und/oder Dynamo und/oder einen Akkumulator zur Speicherung von elektrischer Energie verfügen und die Vorrichtung, die den Elektromotor/Dynamo antreibt, von auf die Erfindung zuströmenden Oxidatoren, Gasen in eine Drehbewegung versetzt wird.A consumer according to the invention has, in a preferred embodiment, an electrical power supply system and / or an electric motor and / or in a preferred embodiment of the invention also a battery via which most vehicles have energy storage and buffers to compensate for different voltages. It was completely surprising that the device according to the invention can be used in all consumers, the technology-related, in addition to a combustion and an electric motor, have an accumulator for storing electrical energy. It was completely surprising that the device according to the invention can also be used in all consumers who technologically have an electric motor and / or dynamo and / or an accumulator for storing electrical energy and the device that drives the electric motor / dynamo from on the invention inflowing oxidizers, gases is set in a rotary motion.
Es kann auch bevorzugt sein, dass der Verbraucher neben einem elektrischen Energieversorgungssystem einen Elektromotor umfasst. Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in eine Bewegung, also kinetische Energie, um. Er stellt somit einen idealen Abnehmer für die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugte elektrische Energie dar. Es war vollkommen überraschend, dass der Elektromotor seine Energie im Falle der Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nur aus dem Akkumulator beziehen kann, sondern teilweise auch aus der elektrischen Energie, die mittels der beanspruchten Vorrichtung aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors oder dem Zustrom des Oxidators, Gasen gewonnen wird.It may also be preferred that the consumer comprises an electric motor in addition to an electrical energy supply system. An electric motor converts electrical energy into a movement, ie kinetic energy. He thus represents an ideal customer for the electrical energy generated by the device according to the invention. It was completely surprising that the electric motor in his energy Case of using a device according to the invention not only from the accumulator can, but also partially from the electrical energy, which is obtained by means of the claimed device from the exhaust stream of the engine or the influx of the oxidizer, gases.
Wenn ein Verbraucher, in dem die beanspruchte Vorrichtung betrieben wird, technologiebedingt keinen Akkumulator aufweist, besteht eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darin, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung selbst einen Akkumulator umfasst. Diese kann vorteilhafterweise dazu genutzt werden, um überschüssig erzeugte elektrische Energie zu speichern und sie zu einem späteren Zeitpunkt und bei Bedarf wieder abzugeben. Die Verwendung eines Akkumulators gewährleistet eine kontinuierliche Bereitstellung von elektrischer Energie. Es war vollkommen überraschend, dass der Akkumulator auch als Puffer in Zusammenspiel mit anderen, die Energieversorgung des Verbrauchers betreffenden Komponenten fungieren kann.If a consumer, in which the claimed device is operated, has no accumulator due to the technology, a further preferred embodiment of the invention consists in that the device according to the invention itself comprises an accumulator. This can advantageously be used to store excess electrical energy and to return it at a later date and when needed. The use of a rechargeable battery ensures a continuous supply of electrical energy. It was completely surprising that the accumulator can also act as a buffer in conjunction with other components relating to the energy supply of the consumer.
Der Akkumulator ist über Mittel zur Stromleitung mit dem Dynamo der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden und kann die erzeugte elektrische Energie des Dynamos aufnehmen. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass der Dynamo die elektrische Energie direkt an den Verbraucher, beziehungsweise sein Energieversorgungssystem und/oder einen gegebenenfalls vorhandenen Elektromotor abgibt. Damit kann überraschenderweise eine Optimierung der Versorgung des Verbrauchers mit elektrischer Energie erreicht werden.The accumulator is connected via means for power line to the dynamo of the device according to the invention and can receive the generated electrical energy of the dynamo. However, it may also be preferred that the dynamo deliver the electrical energy directly to the consumer, or his energy supply system and / or an optionally existing electric motor. Thus, surprisingly, an optimization of the supply of the consumer with electrical energy can be achieved.
Der Akkumulator ist darüber hinaus über Mittel zur Stromleitung an das Energieversorgungssystem und/oder einen Elektromotor des Verbrauchers angeschlossen und kann elektrische Energie in das Energieversorgungssystem einspeisen und/oder einen Elektromotor des Verbrauchers mit elektrischer Energie versorgen. Es war vollkommen überraschend, dass die Verwendung der elektrischen Energie, die vom Dynamo der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt wird, davon abhängt, wie viel elektrische Energie dem Verbraucher gerade zur Verfügung steht und wie groß sein aktueller Bedarf ist.The accumulator is also connected via means for power line to the power supply system and / or an electric motor of the consumer and can feed electrical energy into the energy supply system and / or provide an electric motor of the consumer with electrical energy. It was completely surprising that the use of the electrical energy generated by the dynamo of the device according to the invention depends on how much electrical energy is available to the consumer and how great his current need is.
Da die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bereitgestellte elektrische Energie eine zusätzliche Möglichkeit zur Energieerzeugung in einem Verbraucher darstellt, ist der aus dem Stand der Technik bekannte Nachteil einer axial oder koaxial gelagerten Abgasturbine, dass diese erst bei hinreichend hohen Drehzahlen ihre Wirkung entfaltet, für die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht relevant.Since the electrical energy provided by the device according to the invention represents an additional possibility for generating energy in a consumer, the disadvantage of an axially or coaxially mounted exhaust gas turbine, which develops its effect only at sufficiently high rotational speeds, is known to the device according to the invention Not relevant.
Anders als bei der durch eine axial oder koaxial gelagerten Abgasturbine realisierten Zufuhr verdichteter Luft in die Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors ist die strenge Kontinuität des Prozesses bei der Erzeugung der zusätzlichen elektrischen Energie in einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung nicht zwingend erforderlich, da überraschenderweise das Zusammenspiel aus Lichtmaschine, lokalen Generatoren und erfindungsgemäßer Vorrichtung die Versorgung aller elektrischer Geräte im Verbraucher sicherstellt.Unlike in the case of the introduction of compressed air into the combustion chamber of the internal combustion engine by means of an axially or coaxially mounted exhaust gas turbine, the strict continuity of the process in generating the additional electrical energy is not absolutely necessary in one or more embodiments of the invention, since surprisingly the interaction of the alternator , local generators and device according to the invention ensures the supply of all electrical equipment in the consumer.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Erfindung ein Getriebe, um die Anzahl der Drehungen pro Zeiteinheit bei der Übertragung der Drehbewegung von der ersten Welle auf den Dynamo zu reduzieren. Abgasturbinen in einem Abgasstrom erreichen Drehzahlen bis zu 300 000 Umdrehungen pro Minute. Dies kann auch bei entsprechender Konstruktion für die hiesige Erfindgung gelten. Da diese aber auf die drehbare erste Welle und dann weiter auf den Dynamo übertragen werden und Dynamos in der Regel in kleineren Drehzahlbereichen zwischen 50 und 3000 Umdrehungen pro Minute arbeiten, kann es bevorzugt sein, zwischen der erfindungsgemäßen Abgasturbine und/oder der am drehbaren ersten Welle am Außenrand der Abgasturbine und dem Dynamo ein Getriebe vorzusehen, welches die höheren Drehzahlen der Abgasturbine so übersetzt, dass der Dynamo im optimalen Drehzahlbereich arbeiten kann. Die Verwendung eines Getriebes erhöht somit überraschenderweise den Wirkungsbereich der verwendbaren Drehzahlen der erfindungsgemäßen Abgasturbine und die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Dynamos und seine Lebensdauer.In a further preferred embodiment, the invention includes a transmission to reduce the number of rotations per unit time in transmitting the rotational motion from the first shaft to the dynamo. Exhaust gas turbines in an exhaust gas flow can reach speeds of up to 300,000 revolutions per minute. This can also apply with appropriate design for the present invention. Since these are transferred to the rotatable first shaft and then on to the dynamo and dynamos usually work in smaller speed ranges between 50 and 3000 revolutions per minute, it may be preferable between the exhaust gas turbine according to the invention and / or on the first rotatable shaft on the outer edge of the exhaust gas turbine and the dynamo to provide a transmission which translates the higher speeds of the exhaust gas turbine so that the dynamo can operate in the optimum speed range. The use of a transmission thus surprisingly increases the range of action of the usable rotational speeds of the exhaust gas turbine according to the invention and the performance of the dynamo according to the invention and its service life.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorteilhafterweise in einem Verbrennungsmotor betrieben, bei dem ein beschleunigter Abgasstrom vorliegt. Dabei kann die erfindungsgemäße Vorrichtung überraschenderweise in einer großen Vielzahl von Motoren eingesetzt werden. Es kann sich beispielsweise um einen Otto-Motor, einen Diesel-Motor, einen Wankel-Motor, einen HCCi-Motor, einen Turbopropflugmotor, einen Hybridmotor oder einen Stirling-Motor handeln. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Vorrichtung und der Verbrennungsmotor in einem Strahltriebwerk, einem Ein- oder Zweistrahltriebwerk, einem Staustrahltriebwerk, einem Ramjet-Strahltriebwerk, einem Scramjet-Strahltriebwerk, Raktentriebwerk, einer Kombination aus einem einem Strahl- und Staustrahltriebwerk, einem Wasserstrahltriebwerk oder einem Gas- und/oder Kohle-Kraftwerk verwendet.The device according to the invention is advantageously operated in an internal combustion engine in which there is an accelerated exhaust gas flow. In this case, the device according to the invention can surprisingly be used in a large variety of engines. For example, it may be a gasoline engine, a diesel engine, a Wankel engine, an HCCi engine, a turboprop engine, a hybrid engine, or a Stirling engine. In a further preferred embodiment, the inventive device and the internal combustion engine in a jet engine, a single or twin jet engine, a ramjet, a Ramjet jet engine, a Scramjet jet engine, clock engine, a combination of a jet and ramjet, a jet engine or used a gas and / or coal power plant.
Der Effekt einer im Stand der Technik beschriebenen Abgasturbine als Turboladers besteht in einer Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors. Diese ist nachteilhafterweise verbunden mit hohen thermischen und mechanischen Belastungen des gesamten Motormaterials. Die Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt dahingegen in der Erhöhung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors. Überraschenderweise konnten damit aufwändige Materialanpassungen und der Einsatz von zusätzlichen Kühlvorrichtungen unterbleiben. The effect of an exhaust gas turbine as a turbocharger described in the prior art consists in an increase in the power of the internal combustion engine. This is disadvantageously associated with high thermal and mechanical loads on the entire motor material. The effect of the device according to the invention, however, lies in the increase of the efficiency of the internal combustion engine. Surprisingly, complicated material adjustments and the use of additional cooling devices could be avoided.
Besonders bevorzugt ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Hybrid-Fahrzeugen. Hybrid-Fahrzeuge umfassen nach einer Definition der UNO mindestens zwei Energieumwandler und zwei Energiespeichersysteme. Dabei stellen Diesel-, Otto- oder Elektromotor Energiewandler dar und Akkumulatoren, Gas- oder Kraftstofftanks Energiespeichersysteme. Überraschenderweise konnte die Leistungsfähigkeit gerade von Hybridmotoren durch die bessere Ausnutzung der in einem Brennstoff gespeicherten chemischen Energie durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbessert werden.Particularly preferred is the use of the device according to the invention in hybrid vehicles. Hybrid vehicles, according to a UN definition, include at least two energy converters and two energy storage systems. In this case, diesel, petrol or electric motor energy converters and accumulators, gas or fuel tanks energy storage systems. Surprisingly, the performance of hybrid engines in particular has been improved by the better utilization of the chemical energy stored in a fuel through the use of the device according to the invention.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Elektromotor, der die elektrische Energie, die vom erfindungsgemäßen Dynamo erzeugt wird, wieder in Bewegungsenergie umwandelt und mit dieser Bewegungsenergie verschiedene Wellen antreiben kann. In einer bevorzugten Ausführungsform treibt der Elektromotor dabei eine Welle an, die mit einem erfindungsgemäßen Verdichter eines Strahltriebwerks, eines Einstrahl- oder Zweistrahltriebwerks, eines Staustrahltriebwerkes, eines kombinierten Strahl- und Staustrahltriebwerks verbunden ist. Erfindungsgemäß ist ein Verdichter hier, der sich überraschenderweise dadurch kennzeichnet, dass er exzentrisch gelagert ist und nicht axial oder koaxialen und zentriert. Dabei war es vollkommen überraschend, dass der Elektromotor auf diese Weise den Antrieb eines Verdichters nach dem Stand der Technik aber auch den erfindungsgemäßen Verdichter unterstützen kann. Überraschenderweise kann durch die Verwendung des Elektromotors die Leistungsfähigkeit des Verbrennungsmotors mittels des Antriebs des Verdichters erhöht werden.In a further preferred embodiment, the device according to the invention comprises an electric motor, which converts the electrical energy that is generated by the dynamo according to the invention again into kinetic energy and can drive different waves with this kinetic energy. In a preferred embodiment, the electric motor thereby drives a shaft which is connected to a compressor according to the invention of a jet engine, a single-jet or two-jet engine, a ramjet engine, a combined jet and ramjet engine. According to the invention, a compressor is here, which is surprisingly characterized in that it is mounted eccentrically and not axially or coaxial and centered. It was completely surprising that the electric motor in this way can support the drive of a compressor according to the prior art but also the compressor according to the invention. Surprisingly, by the use of the electric motor, the performance of the internal combustion engine can be increased by means of the drive of the compressor.
In einer bevorzugten Ausführungsform treibt der Elektromotor dabei eine Welle an, die mit einem erfindungsgemäßen Propeller verbunden ist. Ein erfindungsgemäßer Propeller überrascht durch seine exzentrische Lagerung, die das Gegenteil der axialen oder koaxialen und zentrierten Lagerung ist. Dabei war es vollkommen überraschend, dass der Elektromotor auf diese Weise den Antrieb des Propellers nach dem Stand der Technik oder des erfindungsgemäßen Propellers unterstützen kann. Überraschenderweise kann durch die Verwendung des Elektromotors die Leistungsfähigkeit des Propellers erhöht werden.In a preferred embodiment, the electric motor thereby drives a shaft which is connected to a propeller according to the invention. An inventive propeller surprises by its eccentric bearing, which is the opposite of the axial or coaxial and centered bearing. It was completely surprising that the electric motor can support the drive of the propeller according to the prior art or the propeller according to the invention in this way. Surprisingly, the efficiency of the propeller can be increased by the use of the electric motor.
Es kann darüber hinaus bevorzugt sein, dass der Elektromotor eine Welle antreibt, die mit einem erfindungsgemäßen Fan verbunden ist. Im Sinne dieser Erfindung ist ein Fan eine Gasturbine, die einen größeren Querschnitt aufweist als ein Verdichter. Erfindungsgemäß ist ein Fan, der überraschenderweise exzentrisch gelagert und insbesondere nicht axial oder koaxial gelagert ist.It may also be preferred that the electric motor drives a shaft which is connected to a fan according to the invention. For the purposes of this invention, a fan is a gas turbine having a larger cross-section than a compressor. According to the invention, a fan which is surprisingly mounted eccentrically and in particular is not mounted axially or coaxially.
Die erfindungsgemäßen Schaufelblätter einer Abgasturbine, eines Verdichters oder eines Fans entwickeln bedingt durch den großen Querschnitt der Turbine große Fliehkräfte. Die Spitzen der Schaufelblätter der Abgasturbine, des Verdichters oder des Fans können bisweilen Überschallgeschwindigkeit erreichen.The blades according to the invention of an exhaust gas turbine, a compressor or a fan develop due to the large cross-section of the turbine large centrifugal forces. The tips of the blades of the exhaust turbine, the compressor or the fan can sometimes reach supersonic speed.
Die erfindungsgemäßen Schaufelblätter einer Abgasturbine, eines Verdichters oder eines Fans sind in einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Außenrand der/des jeweils exzentrisch gelagerten Abgasturbine, Verdichters oder Fans fixiert. Sie sind nicht axial oder koaxial auf einer zentralen Welle fixiert in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung. Dadurch befindet sich die Abgasturbine, der Verdichter oder der Fan auf einer eigenen, relativ langsam drehenden Drehbewegung. Der erfindungsgemäße Fan kann mit einer anderen Drehzahl betrieben werden, als auch der erfindungsgemäße Verdichter. Dabei ist die Drehzahl des erfindungsgemßen Fans bevorzugt niedriger als die Drehzahl des erfindungsgemäßen Verdichters.The blades according to the invention of an exhaust gas turbine, a compressor or a fan are fixed in a preferred embodiment of the device according to the invention on the outer edge of the / each eccentrically mounted exhaust gas turbine, compressor or fan. They are not fixed axially or coaxially on a central shaft in the embodiment according to the invention. As a result, the exhaust gas turbine, the compressor or the fan is on its own, relatively slowly rotating rotational movement. The fan according to the invention can be operated at a different speed, as well as the compressor according to the invention. The speed of the fan according to the invention is preferably lower than the speed of the compressor according to the invention.
Es kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ein Getriebe zwischen erfindungsgemäßem Fan und der ihn antreibenden Welle angebracht sein. Es war vollkommen überraschend, dass dadurch die der Betrieb des Fans in einem optimalen Geschwindigkeitsbereich gewährleistet werden kann. Dadurch wird die Effizienz des erfindungsgemäßen Fans verbessert. Dies verringert Brennstoff-Verbrauch des Verbrennungsmotors und reduziert Lärmemissionen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.It may be mounted in a further preferred embodiment, a transmission between the invention fan and the shaft driving it. It was completely surprising that this allows the operation of the fan in an optimal speed range can be guaranteed. This improves the efficiency of the fan according to the invention. This reduces fuel consumption of the internal combustion engine and reduces noise emissions of the device according to the invention.
Überraschenderweise können durch den Betrieb des erfindungsgemäßen Fans bzw. Verdichters sowie der erfindungsgemäßen Abgasturbine die Radialkräfte, die auf die Fanschaufeln wirken, durch die niedrigere Rotationsgeschwindigkeit verringert werden.Surprisingly, the operation of the fan or compressor according to the invention and the exhaust gas turbine according to the invention, the radial forces acting on the fan blades are reduced by the lower rotational speed.
Überraschenderweise ist es demnach möglich, die erfindungsgemäßen Schaufeln des erfindungsgemäße Fans bzw. Verdichters sowie der erfindungsgemäßen Abgasturbine kompakter oder stabiler und/oder leichter auszuführen. So kann es auch bevorzugt sein, die Schaufeln des erfindungsgemäßen Fans aus einem leichteren und/oder wirtschaftlich effektiveren Material herzustellen und somit das Gewicht des Fahrzeugs bzw. der Vorrichtung, in der er verwendet wird, und die Herstellungskosten zu verringern. Dies wirkt sich auch auf den Energieverbrauch aus. Surprisingly, it is therefore possible to make the blades according to the invention of the fan or compressor according to the invention and the exhaust gas turbine according to the invention more compact or more stable and / or lighter. Thus, it may also be preferred to manufacture the blades of the fan according to the invention from a lighter and / or more economically effective material and thus to reduce the weight of the vehicle or the device in which it is used and the production costs. This also affects the energy consumption.
Es kann auch bevorzugt sein, dass sowohl die Welle, die mit dem erfindungsgemäßen Verdichter verbunden ist, als auch die Welle, die mit dem erfindungsgemäßen Fan verbunden ist, gemeinsam durch den Elektromotor anzutreiben. Es war vollkommen überraschend, dass dadurch die Schubkraft des mit dem erfindungsgemäßen Fans und des erfindungsgemäßen Verdichters Verbrennungsmotors erhöht werden kann. Durch diese Erhöhung der Schubkraft können insbesondere die Reisezeiten verkürzt werden, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Flugzeug verwendet wird. Darüber hinaus wird durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung überraschenderweise die Leistungsausbeute des Kraftstoffs bei gleichem Verbrauch erhöht oder der Verbrauch an Kraftstoff reduziert.It may also be preferred that both the shaft, which is connected to the compressor according to the invention, and the shaft, which is connected to the fan according to the invention, jointly driven by the electric motor. It was completely surprising that thereby the thrust of the combustion engine according to the invention and the compressor according to the invention can be increased. This increase in thrust, in particular travel times can be shortened when the device according to the invention is used in an aircraft. In addition, the use of the device according to the invention surprisingly increases the power yield of the fuel with the same consumption or reduces the consumption of fuel.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ihrer bevorzugten Ausführungsformen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors. Dabei umfasst dieses Verfahren bevorzugt die Entnahme von kinetischer Energie aus einem Abgasstrom durch eine erfindungsgemäße Abgasturbine, die Umwandlung dieser kinetischen Energie in eine Drehbewegung durch die erfindungsgemäße Abgasturbine und die Übertragung der Drehbewegung von der erfindungemäßen Abgasturbine auf eine drehbare erste Welle. Konkret geschieht dies dadurch, dass die Bestandteile des Abgasstromes mit hoher Geschwindigkeit auf die exzentrisch gelagerten Turbinenschaufeln bzw. Schaufelblätter der erfindungsgemäen Abgasturbine prallen und diese in Bewegung versetzen. Überraschenderweise kann aus der gradlinigen Bewegung des Abgasstroms innerhalb des Abgasrohres auf diese Weise eine Drehbewegung der Abgasturbine erzeugt werden, welche dann zur Gewinnung elektrischer Energie durch den erfindungsgemäßen Dynamo genutzt werden kann. Überraschenderweise kann ein mit der erfindungsgemäßen Abgasturbine verbundener erfindungsgemäßer Fan Gas beschleunigen, das wiederum eine exzentrisch gelagerte Turbine antreibt, die das Verfahren der Gewinnung elektrischer Energie aus dem Gasstrom des Fans erzeugt. Dies spart Ressourcen und senkt die Produktionskosten.The invention further relates to the use of the device according to the invention and its preferred embodiments. Moreover, the invention relates to a method for obtaining electrical energy from the exhaust gas stream of an internal combustion engine. In this case, this method preferably comprises the removal of kinetic energy from an exhaust gas flow through an exhaust gas turbine according to the invention, the conversion of this kinetic energy into a rotational movement through the exhaust gas turbine according to the invention and the transmission of the rotational movement of the inventive exhaust gas turbine on a rotatable first shaft. Specifically, this happens because the components of the exhaust gas stream impinge at high speed on the eccentrically mounted turbine blades or blades of the exhaust gas turbine according to the invention and set them in motion. Surprisingly, a rotational movement of the exhaust gas turbine can be generated from the straight-line movement of the exhaust gas flow within the exhaust pipe in this way, which can then be used to obtain electrical energy by the dynamo according to the invention. Surprisingly, an inventive fan connected to the exhaust gas turbine according to the invention accelerates gas, which in turn drives an eccentrically mounted turbine, which generates the method of obtaining electrical energy from the gas flow of the fan. This saves resources and lowers production costs.
In einem weiteren bevorzugten Verfahren wird für die bevorzugten Verfahrensschritte ein im Verbraucher vorhandener erfindungsgemäßer exzentrisch gelagerter Turbolader genutzt. Es war vollkommen überraschend, einen erfindungsgemäßen Turbolader für das erfindungsgemäße Verfahren zu verwenden. Dies spart Ressourcen und senkt die Produktionskosten.In a further preferred method, an inventive eccentrically mounted turbocharger present in the consumer is used for the preferred method steps. It was completely surprising to use a turbocharger according to the invention for the inventive method. This saves resources and lowers production costs.
In einem weiteren bevorzugten Verfahren wird die Drehbewegung der an der erfindungsgemäßen Abgasturbine bzw. des erfindungsgemäßen Fans anliegenden ersten Welle auf einen Dynamo übertragen. Dabei kann es bevorzugt sein, dass zwischen der drehbaren ersten Welle und dem Dynamo ein Getriebe zwischengeschaltet wird. Die Aufgabe des Getriebes ist es, die hohen Drehzahlen, die Abgasturbinen, bedingt durch die hohen Geschwindigkeiten im Abgasstrom, häufig erreichen, in einen für den Dynamo akzeptablen Bereich zu übersetzen. Mittels des Dynamos wird die Drehbewegung, die über die drehbare erste Welle und gegebenenfalls mittels des Getriebes auf ihn übertragen wird, in elektrische Energie umgewandelt. Dabei wendet der Dynamo das Prinzip der elektromagnetischen Induktion an, bei dem ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld bewegt und in dem durch die Lorentzkraft eine Spannung induziert wird.In a further preferred method, the rotational movement of the first shaft bearing against the exhaust gas turbine according to the invention or the fan according to the invention is transmitted to a dynamo. It may be preferred that between the rotatable first shaft and the dynamo, a transmission is interposed. The task of the transmission is to translate the high speeds, the exhaust gas turbines, due to the high speeds in the exhaust stream, often, translate into an acceptable range for the dynamo. By means of the dynamo, the rotational movement, which is transmitted via the rotatable first shaft and possibly by means of the transmission to him, converted into electrical energy. In this case, the dynamo applies the principle of electromagnetic induction, in which a current-carrying conductor moves in a magnetic field and in which a voltage is induced by the Lorentz force.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren, bei dem die erzeugte elektrische Energie direkt an ein im Verbraucher vorhandenes Energieversorgungssystem weitergegeben wird. Es kann auch bevorzugt sein, dass mit der elektrischen Energie ein Elektromotor oder ein anderes, mit elektrischer Energie betriebenes Gerät im Fahrzeug betrieben wird. Des Weiteren kann es bevorzugt sein, dass die im Dynamo erzeugte elektrische Energie in einem Akkumulator gespeichert und erst später an Energieversorgungssystem oder Elektromotor weitergegeben wird. Es war vollkommen überraschend, dass diese bevorzugte Ausgestaltungsform des Verfahrens eine hohe Einsatz-Flexibilität der erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht, da auf die Gegebenheiten im Fahrzeug und den aktuellen Energiebedarf des Verbrauchers reagiert werden kann.The invention further relates to a method in which the electrical energy generated is passed on directly to an existing consumer power supply system. It may also be preferred that an electric motor or another device operated with electrical energy is operated in the vehicle with the electrical energy. Furthermore, it may be preferable for the electrical energy generated in the dynamo to be stored in an accumulator and only later to be passed on to the energy supply system or electric motor. It was completely surprising that this preferred embodiment of the method allows a high deployment flexibility of the method according to the invention, since it can be responded to the circumstances in the vehicle and the current energy needs of the consumer.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Bezugszeichenliste
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