Zusammenfassung
der Erfindung
Daher
ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Verbrennungsmotor bereitzustellen,
der einem herkömmlichen
Gasturbinenmotor ähnlich
ist, wobei er sowohl in den Kosten als auch in der Leistung mit Kolbenmotoren
konkurrenzfähig
sein und einen hohen Verbrennungskammerdruck in einer einzigen Stufe
erzeugen können
soll.
Ein
weiterer Vorteil soll darin bestehen, dass die Möglichkeit des Abreißens (surge)
durch Entfernen des Diffusors in dem Verdichter eliminiert ist.
Darüber hinaus
soll der Verbrennungsmotor nahezu 100%-ige Verdichter- und Leistungsabschnittswirkungsgrade
aufweisen.
Ferner
soll ein Verbrennungsmotor bereitgestellt werden, der mehr Drehmoment
bei niedrigen Motorendrehzahlen als herkömmliche Gasturbinenmotoren
aufweist, wobei ein Gesamtmotorwirkungsgrad von etwa 35 % erreicht
werden soll.
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird bei den nachstehend offenbarten
Ausführungsformen
durch Bereitstellen eines Drehverbrennungsmotors gelöst. Der
Motor umfasst ein Gehäuse,
in dem zur Drehung mindestens ein Rotor angebracht ist. Der Rotor
ist zur Drehung um eine Achse konfiguriert und weist mindestens
eine Strömungsleitung
auf. Die Strömungsleitung
umfasst einen Verdichtungsbereich, der einen Einlass naheliegend
zu der Drehachse des Rotors aufweist und sich radial hin zu einem Umfang
des Rotors erstreckt. Eine Mischung aus Luft und Kraftstoff tritt
in die Strömungsleitung
durch den Einlass ein und läuft
vor der Verbrennung stromabwärts
durch mindestens einen Teil des Verdichtungsbereichs. Ein Verbrennungsbereich
kommuniziert mit dem Verdichtungsbereich und ist naheliegend zu dem
Umfang des Rotors. Die Luft/Kraftstoff-Mischung fließt von dem Verdichtungsbereich
zu dem Verbrennungsbereich, um einer Verbrennung in dem Verbrennungsbereich
unterzogen zu werden. Ein Leistungsbereich kommuniziert mit dem
Verbrennungsbereich und umfasst einen Auslass naheliegend zu der
Drehachse des Rotors. Der Leistungsbereich erstreckt sich von dem
Umfang des Rotors zu dem Auslass. Die Luft/Kraftstoff-Mischung verlässt die
Strömungsleitung
durch den Auslass nach der Verbrennung. Der Verdichtungsbereich,
der Verbrennungsbereich und der Leistungsbereich der Strömungsleitung
legen einen im wesentlichen U-förmigen
Strömungspfad
fest, entlang desselben die Luft/Kraftstoff-Mischung während des
Motorbetriebs läuft.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das kombinierte Volumen des Verbrennungsbereichs
und des Leistungsbereichs wesentlich größer als das Volumen des Verdichtungsbereichs.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der Rotor mindestens zwei getrennte Strömungsleitungen
auf.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der Rotor mindestens zwei miteinander verbundene
Strömungsleitungen auf,
die jeweilige Verdichtungs-, Verbrennungs- und Leistungsbereiche
aufweisen. Die Strömungsleitungen
sind derart miteinander verbunden, dass mindestens einer der Verdichtungsbereiche
konfiguriert ist, um die Luft/Kraftstoff-Mischung gleichzeitig an mindestens
zwei der Verbrennungsbereiche zu liefern.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist ein Einlaufteil an dem Einlass des Verdichtungsbereichs
angebracht.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist ein Kraftstoffeinspritzer naheliegend zu dem Einlass
des Verdichtungsbereichs angeordnet, um Kraftstoff in die Strömungsleitung
einzuführen.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine Zündkerze
naheliegend zu dem Einlass des Verdichtungsbereichs angeordnet,
um die Luft/Kraftstoff-Mischung zu zünden.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst der Auslass des Leistungsbereichs eine Auslassdüse, durch
die die Luft/Kraftstoff-Mischung
die Strömungsleitung
nach der Verbrennung verlässt.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Auslassdüse
derart ausgestaltet, dass die verbrannte Luft/Kraftstoff-Mischung
die Strömungsleitung
als ein Abgasstrahl verlässt.
Der Abgasstrahl weist einen Geschwindigkeitsvektor auf, der einen
Komponentenvektor mit rechten Winkeln zu der Drehachse des Rotors
umfasst.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine Turbine stromabwärts von der Auslassdüse angeordnet,
um von der die Strömungsleitung
verlassenden verbrannten Luft/Kraftstoff-Mischung betätigt zu
werden.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Turbine funktionsfähig mit einer Rotorwelle an
der Drehachse des Rotors verbunden.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Turbine erste und zweite Abschnitte auf.
Der erste Abschnitt gibt Leistung direkt an die Rotorwelle und der
zweite Abschnitt Leistung an eine zweite Welle ab.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine Vakuumpumpe mit einem Inneren des Motorgehäuses verbunden,
um die den Rotor umgebenden Luft bei einem Druck unterhalb des Atmosphärendrucks
während
des Motorbetriebs zu halten.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine Aussenoberfläche des Rotor profiliert, um
den aerodynamischen Widerstand zu minimieren.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind Innenwände
des Gehäuses
benachbart der Aussenoberfläche
des Rotors profiliert, um den aerodynamischen Widerstand zu minimieren.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Abstand zwischen der Aussenoberfläche des
Rotors und der Innenoberfläche
des Gehäuses
mindestens das Zweifache der Grenzschichtdicke der Luft zwischen
dem Rotor und dem Gehäuse.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst der Verdichtungsbereich der Strömungsleitung
Mittel zum Diffundieren des Kraftstoffs in die Luft, um eine Luft/Kraftstoff-Mischung
zu bilden, um die Verbrennung zu verbessern.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung legt das Motorgehäuse
einen Eingangsport zum Leiten der ankommenden Luft zu dem Einlass
des Verdichtungsbereichs fest.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung legt der Verdichtungsbereich eine Kraftstoffzufuhröffnung zwischen
dem Einlass und dem Verbrennungsbereich fest.
Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist ein Rotor zur Drehung in einem Gehäuse eines
Drehverbrennungsmotors angebracht. Der Rotor ist zur Drehung um
eine Achse konfiguriert und weist mindestens eine Strömungsleitung
auf. Die mindestens eine Strömungsleitung
umfasst einen Verdichtungsbereich, der einen Einlass naheliegend zu
der Drehachse des Rotors aufweist und sich radial zu einem Umfang
des Rotors hin erstreckt. Eine Mischung aus Luft und Kraftstoff
tritt in die Strömungsleitung
durch den Einlass ein und läuft
durch mindestens einen Teil des Verdichtungsbereichs vor der Verbrennung
stromabwärts.
Ein Verbrennungsbereich kommuniziert mit dem Verdichtungsbereich
und ist naheliegend zu dem Umfang des Rotors. Die Luft/Kraftstoff-Mischung
fließt
von dem Verdichtungsbereich zu dem Verbrennungsbereich, um einer
Verbrennung in dem Verbrennungsbereich unterzogen zu werden. Ein
Leistungsbereich kommuniziert mit dem Verbrennungsbereich und umfaßt einen
Auslass naheliegend zu der Drehachse des Rotors. Der Leistungsbereich
erstreckt sich von dem Umfang des Rotors zu dem Auslass. Die Luft/Kraftstoff-Mischung verlässt die
Strömungsleitung
durch den Auslass nach der Verbrennung. Der Verdichtungsbereich,
der Verbrennungsbereich und der Leistungsbereich der Strömungsleitung
legen einen im wesentlichen U-förmigen
Strömungspfad
fest, entlang desselben die Luft/Kraftstoff-Mischung während des
Motorbetriebs läuft.
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
Einige
der Aufgabe der Erfindung wurden oben dargelegt. Weitere Aufgaben
und Vorteile der Erfindung werden offensichtlich sein, wenn die
Beschreibung voranschreitet, wenn sie in Verbindung mit den folgenden
Zeichnungen betrachtet. wird, in denen zeigen:
1 einen Schnitt durch einen
Hauptrotor gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, der eines der internen U-Rohre zeigt, die die Verdichtungs-,
Verbrennungs- und Leistungsbereiche des Rotors definieren;
2 einen Schnitt durch eine
alternative Ausführungsform
des Hauptrotors, der verschiedene kommunizierende interne Bereiche
zeigt;
3 einen Längsschnitt
durch einen vollständigen
Motor, der alle Hauptkomponenten bei einer Konfiguration zeigt,
wobei der Turbinenabschnitt mit der Hauptrotorwelle verbunden ist;
4 eine Teilschnittansicht,
die den Einlass des Motors von 3 in
der Richtung des Pfeils A hinunter blickt und die die Zündkerze
und den Kraftstoffeinspritzer zeigt;
5 ein abgewickelter kreisförmiger Schnitt
durch die Düsen
und den Turbinenabschnitt des Motors von 2 und 3,
die die Beziehung der Düsen,
des Stators und der Turbine zeigt;
6 einen Längsschnitt
durch einen vollständigen
Motor gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung und den an einer von dem Hauptrotorwelle getrennten
Welle angebrachten Turbinenabschnitt.
Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
und der besten Betriebsart
Mit
Bezug nun insbesondere auf die Zeichnungen ist ein Rotor für einen
Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden
Erfindung in 1 dargestellt
und allgemein mit der Bezugsziffer 10 gezeigt. Der Rotor 10 umfasst
ein oder mehrere U-förmige radiale
Rohre 11, das/die in einer speichenähnlichen Anordnung um eine
Mitteldrehachse 12 ausgebildet ist/sind. Der Rotor 10 ist
vorzugsweise für
eine geschmeidige Drehung ausgeglichen. Ein repräsentatives U-Rohr 11 ist
in 1 gezeigt und nachstehend weiter
beschrieben.
Das
U-Rohr 11 umfasst einen relativ langen Rohrabschnitt, der
einen Luftverdichtungsbereich 14 mit einem Einlass 15 naheliegend
zu der Drehachse 12 definiert, und einen kürzeren Rohrabschnitt,
der einen Leistungsabgabebereich 16 mit einer Auslassdüse 17 naheliegend
zu dem Einlass 15 definiert. Die Rohrabschnitte sind einstückig an
einem Bogen benachbart dem äußeren Umfang
des Rotors 10 gebildet. Der Bogen bildet einen Verbrennungsbereich 18. Obgleich
das dargestellte U-Rohr 11 einen
gleichförmigen
Querschnitt entlang seiner gesamten Länge aufweist, kann die Form
oder die Fläche
des Rohrquerschnitts variieren, um den Gesamtmotorbetrieb zu verbessern.
Luft tritt in das U-Rohr 11 durch den Einlass 15 des
Verdichtungsbereichs 14 naheliegend zu der Rotorachse 12 ein.
Die Drehung des Rotors 10 erzeugt eine Zentrifugalkraft
an den Luftsäulen
in sowohl dem Verdichtungs- als auch dem Leistungsbereich 14 bzw. 16,
wodurch der Verbrennungsbereich 18 an dem Bogen des U-Rohrs 11 unter
Druck gesetzt wird. Die Druckbeaufschlagung des Verbrennungsbereichs 18 ereignet
sich, egal, ob Luft durch das Rohr fließt oder ruhend ist. Der Druck
in dem Verbrennungsbereich 18 ist hauptsächlich von
der Rotordrehzahl abhängig.
Mit einer vorgegebenen konstanten Rotordrehzahl wird der Druck in
dem Verbrennungsbereich 18 ohne Rücksicht auf die Kraftstoffdurchflussrate
nahezu konstant sein. Da herkömmliche
Gasturbinen Druck in dem Verbrennungsbereich verlieren, wenn sich
der Kraftstofffluss verringert, wird der vorliegende Motor einen
verbesserten Wirkungsgrad und ein verbessertes Drehmoment bei niedrigen
Kraftstoffdurchflussraten aufweisen.
Bei
der Drehung des Rotors 10 fließt Luft durch das U-Rohr 11 als
Ergebnis des Gewichtsunterschieds zwischen den Luftsäulen in
den Verdichtungs- und Leistungsbereichen 14 und 16.
Dieser Gewichtsunterschied wird durch die unterschiedlichen Längen der
Rohrabschnitte verursacht und führt
zu einem Luftdruck an der Ausgangsdüse 17 des Leistungsbereichs 16.
Ohne Verbrennung wird Luft in den Einlass 15, der am nächsten zu
der Mitte des Rotors 10 ist, eintreten und aus der Auslassdüse 17 ausfließen, die
am weitesten von der Mitte ist. Keine Motorleistung wird ohne Verbrennung
erzeugt. Mit der in dem Verbrennungsbereich 18 stattfindenden Verbrennung
wird die heißere
Luft in dem Leistungsbereich 16 eine niedrigere Dichte
als die kühlere
Luft in dem Verdichtungsbereich 14 aufweisen. Daher wird
das Gewicht von Luft in dem Leistungsbereich 16 viel geringer
als das Gewicht von Luft in dem Verdichtungsbereich 14 sein,
was zu einem ausreichenden Druck an der Ausgangsdüse 17 für die Motorleistungserzeugung
führt.
Bei einer Rotorumfangsgeschwindigkeit von 886,08 m/s und einer Düsentangentialgeschwindigkeit
von 153,36 m/s beträgt
ein typischer Druck in dem Verbrennungsbereich 11,37 bar (170 psig)
bei einem Auslassdüsendruck
von 2,54 bar (38 psig). Da kein Diffusor vorhanden ist, kann es kein
Abreißen
(surge) in diesem Verdichter geben. Die hohen Druckverhältnisse
bei dem vorliegenden Motor führen
zu einem verbesserten Motorwirkungsgrad. Vorzugsweise erreicht der
Motor einen Gesamtmotorwirkungsgrad von etwa 35 %. Dies ist mit der
Leistung von vielen Kolbenmotoren konkurrenzfähig.
Eine
größere Auslassdüse 17 wird
mehr Luftströmung
durch das U-Rohr 11 erzeugen und somit mehr Motorleistung.
Wenn die Luftströmungsverluste in
dem U-Rohr 11 zu hoch sind, kann die Strömungsgeschwindigkeit
verringert werden, wenn die Auslassdüse 17 kleiner gemacht
wird. Die Richtung des aus der Düse 17 ausfließenden Abgasstrahls
kann einen Abschnitt aufweisen, der senkrecht zu der Achse 12 der
Rotordrehung fließt,
um ein Drehmoment zu erzeugen, um den Rotor 10 zu drehen.
Der
vorliegende Motorleistungszyklus ist dem eines herkömmlichen
Gasturbinenmotors ähnlich.
Der Verdichtungsbereich 14 des U-Rohrs 11 nimmt Leistung
von dem Rotor 10 während
des Verdichtungsprozesses, während
der Leistungsbereich 16 Leistung an den Rotor 10 zurückgibt,
wenn die heiße
Luft zu der Auslassdüse 17 durchläuft. Der Leistungsfluss
in den gegebenen Bereichen 14 oder 16 ist von
der Luftmassendurchflussrate, den radialen Anfangs- und Endpositionen
und der Strömungsrichtung
(zu oder weg von dem Rotorumfang) abhängig. Wenn Luft den Verdichtungsbereich 14 zu
dem Rotorumfang hin herunterläuft,
wird sie auf die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors 10 beschleunigt (was
eine Leistungszufuhr von dem Rotor erfordert), und wenn Luft zu
der Rotorachse 12 hin durch den Leistungsbereich 16 zu
der Auslassdüse 17 zurückläuft, wird
sie verzögert
(gibt Leistung an den Rotor zurück).
Mit gleichen Massendurchflüssen
werden sich die Leistungsanforderungen des Verdichtungs- und des
Leistungsbereichs 14 bzw. 16 fast gegenseitig
ausheben. Der kleine Unterschied wird durch die Leistung wettgemacht,
die von dem durch die Auslassdüse 17 fließenden Abgasstrahl
erzeugt wird. Das meiste der in der Auslassdüse 17 erzeugten Energie
ist als von dem Motor abgegebene nützliche Arbeit verfügbar. Da
der Unterschallluftströmung
durch ein U-Rohr 11 keine Leckverluste und einen sehr geringen
aerodynamischen Verlust aufweist, werden die Wirkungsgrade der Verdichtungs- und Leistungsbereiche 14 und 16 nahezu
100 % sein.
Die
Verbrennung ereignet sich auf eine herkömmliche Art und Weise unter
Verwendung eines Kraftstoffeinspritzers und einer Zündkerze
(wie es beispielsweise in 4 gezeigt
ist), die naheliegend zu dem Einlass 15 des Verdichtungsbereichs 14 angeordnet
sind. Während
des Betriebs des Rotors 10 läuft die Luft/Kraftstoff-Mischung von dem
Verdichtungsbereich 14 zu dem Verbrennungsbereich 18 hinunter.
Eine Kraftstoffzufuhröffnung 21 ist
vorzugsweise in dem Verdichtungsbereich 14 ausgebildet, um
einen weiteren Durchgang der Luft/Kraftstoffmischung zu dem Verbrennungsbereich 18 zu
ermöglichen,
wie es durch den Pfeil 22 angegeben ist. Die Position der Öffnung 21 ist
derart, dass die durch die Öffnung 21 gehende
Luft/Kraftstoff-Mischung aus einem unterschiedlichen Verhältnis von
Luft und Kraftstoff als die Mehrheit der stromabwärts durch
den Verdichtungsbereich 14 an den Verbrennungsbereich 18 gelieferten
Luft/Kraftstoff-Mischung zusammengesetzt ist. Mittel (nicht gezeigt)
zum Diffundieren des Kraftstoffs in die Luft können in dem Verdichtungsbereich 14 vorgesehen
sein, um den Kraftstoff und die Luft während des Durchlaufens zu dem
Verbrennungsbereich 18 zur verbesserten Verbrennung zusätzlich zu
mischen.
2 und 3 veranschaulichen eine weitere bevorzugte
Ausführungsform
des vorliegenden Motors. Bei dieser Ausführungsform umfasst der Rotor 30 drei
Einlassrohre, die jeweilige Verdichtungsbereiche 31, 32 und 33 festlegen,
die radial von einem gemeinsamen Einlass 34 an der Mittelachse 35 des
Rotors 30 hervorragen. Die Abstände zwischen benachbarten Röhren definieren
Leistungsbereiche 36, 37 und 38, die
Auslässe
bei 41, 42 bzw. 43 aufweisen. Verbrennungsbereiche 45, 46 und 47 sind
entlang des Umfangs des Rotors 30 ausgebildet. Vorzugsweise
erstreckt sich jeder Verbrennungsbereich 45, 46 und 47 um
nahezu ein Drittel des Rotorumfangs. Da die Natur der Verbrennung
es schwierig macht, den Unterschied zwischen den Verbrennungs- und Leistungsbereichen
zu definieren, kann eine Überlappung
dieser Bereiche während
des Betriebs des Rotors 30 auftreten. Obgleich die Leistungsbereiche 36, 37 und 38 einer
Leistungserzeugungsfunktion dienen, kann es ebenfalls Stellen für die Endstufen des
Verbrennungsprozesses geben. Jeder der Leistungs- und Verbrennungsbereiche
sind zusammen viel größer als
derjenige eines Verdichtungsbereichs. Da sich die Verbrennung in
den Bereichen 36, 37, 38 und 45, 46, 47 ereignet,
wird dies dem Motor eine große
Gesamtverbrennungskammer geben, was wünschenswert ist. Verdichtete
Luft in jedem der Verdichtungsbereiche 31, 32 und 33 verlässt den
Verdichtungsbereich bei dem Rotorumfang und weist die Option auf,
entweder zu einem oder beiden der benachbarten Verbrennungsbereiche 45, 46 und 47 zu gehen.
Die Bereichswände
weisen Öffnungen 51 und 52 an
dem Rotorumfang auf, was es den erforderlichen Verhältnissen
des Verdichterluftdurchflusses ermöglicht, in die Verbrennungsbereiche 45, 46 und 47 einzutreten.
3 zeigt die Position des
Rotors 30 in einem Motorgehäuse 61. Der Rotor 30 dreht
sich um eine durch eine Welle 62 festgelegte Achse, die
als ein einstöckiges
Teil des Rotors 30 ausgebildet ist. Die Welle 62 ist
in Lagern 64 und 65 drehbar gelagert, die in dem
Gehäuse 61 positioniert
sind. Wie es gezeigt ist, empfangen die Verdichtungsbereiche 31 und 33 des
Rotors 30 Luft von dem Einlass 34. Ein Einlaufteil 69 ist
vorhanden, um die Luftströmung
in den Verdichterbereich 33 zu glätten, wie er es bei herkömmlichen
dynamischen Verdichtern mit radialer Strömung tut. Ein Einlasskanal 66 ist
in dem Gehäuse 61 ausgebildet,
um die ankommenden Luftströmung
in den Einlass 34 der Verdichtungsbereiche 31, 32 und 33 zu
leiten. Der Verbrennungsbereich 46 führt zu dem Leistungsbereich 37.
Das heiße
Gas fließt
dann durch den Auslass 42, der zu der Düse 68 führt. Die
Auslässe 41, 42 und 43 können lediglich Öffnungen
an den jeweiligen Düsen 68 sein
oder können
eine ihnen eigene röhrenförmige Länge aufweisen,
wie es beispielsweise in 3 gezeigt
ist. Dies schafft Platz für
einen großzügigen Radius 71 und
begradigt die Luftströmung
für einen
nicht-turbulenten Eintritt in die Düse 68.
Um
einen hohen Druck in dem Verbrennungsbereich zu erreichen, ist die
Umfangsgeschwindigkeit der Außenoberfläche 72 des
Rotors 30 vorzugsweise Ultraschall. Um den Luftwiderstand
zu verringern, sollte die äußere Oberfläche 72 ein
glattes Profil (kein Protuberanzen hervorrufender Widerstand) definieren
und eine aerodynamisch einwandfreie Oberflächengüte aufweisen. Dies trifft ebenfalls auf
die Gehäuseinnenoberfläche 73 zu.
Verluste können
weiter durch die in 3 gezeigte
Ausgestaltung verringert werden. Der Hohlraum 75 zwischen
der inneren Gehäuseoberfläche 73 und
der Rotoroberfläche 72 weist
eine kritische Abstandsabmessung 76 auf, die vorzugsweise
größer als
die zweifache Grenzschichtdicke der Luft in dem Hohlraum 75 ist. Siehe
die Kapitel über "rotating disc flow" in Boundar Layer
Theory, Hermann Schlichting, McGraw-Hill, 1979. Diese Offenbarung
ist hier mit Bezug aufgenommen.
Mit
dem Atmosphärendruck
in dem Hohlraum 75 kann der viskose Luftwiderstand auf
der Oberfläche 72 noch
hoch sein. Der viskose Widerstand kann jedoch annehmbar gemacht
werden, wenn der Hohlraum 75 bei einem Druck ist, der geringer
als der Atmosphärendruck
ist (z.B. 2 psia). Eine in 3 gezeigte
herkömmliche
Vakuumpumpe 80 kann ohne weiteres diesen Druck erreichen.
Jedes geeignete Verfahren kann verwendet werden, um die Vakuumpumpe 80 zu
treiben. Eine Vakuumleitung 81 ist gezeigt, die eine Leitung
für die
Luft bereitstellt, damit sie zwischen dem Hohlraum 75 und
der Vakuumpumpe 80 läuft,
wobei die Luft danach an die Atmosphäre ausgestoßen wird. Zapfenbereiche 82 und 83 definieren
kleine Spielräume
zwischen dem Gehäuse 61 und
dem Rotor 30, um die Strömung von Luft zurück in den
Hohlraum 75 zu sperren. Herkömmliche berührungsfreie Dichtungen 86 und 87, die
bei Turbomaschinen üblich
sind, können
in diese Zapfenbereiche zwischen dem Rotor 30 und dem Gehäuse 61 platziert
werden, um das Laufen von Luft in den Hohlraum 75 weiter
zu minimieren.
4 veranschaulicht ein Verfahren
zum Liefern von Kraftstoff an die Verbrennungsbereiche in dem Motor.
Ein Kraftstoffeinspritzer 90 und eine Zündkerze 91 sind naheliegend
zu dem Einlasskanal 66 des Motorgehäuses 61 angeordnet.
Der Kraftstoffeinspritzer 90 sprüht Kraftstoff in den Lufteinlass 34 nahe
der Achse des Rotors 30. Die Zündkerze 91 ist nahe
dem Kraftstoffsprühpfad
und kann den Kraftstoff während
des Motorstarts zünden.
Die Zündkerze 91 ist
nur lang genug aktiviert, damit der brennende Kraftstoff zu den
Verdichtungsbereichen 31, 32 und 33 hinunterlaufen
und in die Verbrennungsbereiche 45, 46 und 47 eintreten
kann. An diesem Punkt ist die Zündkerze
nicht länger
aktiviert, und die Flamme wird von den Verdichtungsbereichen 31, 32 und 33 weggelenkt,
da der Kraftstoff und die Luft durch die Verdichtungsbereiche mit
einer Geschwindigkeit laufen, die schneller als die Kraftstoffflammengeschwindigkeit
ist. Die Flamme ist nun jedoch in den Verbrennungsbereichen 45, 46 und 47 etabliert,
wo die Luft und die Kraftstoffgeschwindigkeiten niedrig genug sind,
um eine normale kontinuierliche Verbrennung aufrecht zu halten.
Alternative
Kraftstoffzufuhrrouten werden in einem der in 2 gezeigten Verdichtungsbereichen 31, 32 und 33 dargestellt.
Wenn der Kraftstoff durch den Verdichtungsbereich 31 hin
zu dem Rotorumfang läuft,
wird er sich gegen eine Wand 31A des Bereichs 31 sammeln.
Dies beruht auf der durch die Drehung des Rotors 30 verursachten
Coriolis-Beschleunigung. Der Kraftstoff kann in den Verbrennungsbereich 47 durch
die gleiche Öffnung 51 wie
die ankommende Luft eintreten. Bei einem Punkt unten an der Wand 31A des
Verdichtungsbereichs 31 ist jedoch mindestens eine Kraftstoffzufuhröffnung 95 vorgesehen,
um zu ermöglichen,
dass Kraftstoff in den Leistungsbereich 38 und den Verbrennungsbereich 47 eintritt.
Der Kraftstoff wird eine hohe Geschwindigkeit erreichen, wenn er
durch den Verdichtungsbereich 31 läuft, so dass die Öffnungen 95 und 51 Vorrichtungen
aufweisen können,
um den Kraftstofffluss in einen Spray aufzubrechen oder anderweitig
mit der Luft zur Verbrennung zu mischen. Die Position, Form oder
Größe der Öffnung 95 kann
ermöglichen,
dass eine Kraftstoff/Luft-Mischung durchläuft, die ein unterschiedliches
Verhältnis
als das Gesamtkraftstoff/Luft-Verhältnis aufweist,
die durch den Verdichtungsbereich 31 läuft.
Mit
Bezug nun auf 3 und 5 kann, nachdem das Hochgeschwindigkeits-Abgas die Auslassdüse 68 verlassen
hat, es zu einer herkömmlichen
Turbinenstufe 101 geleitet werden, um die Energie in diesem
Hochgeschwindigkeitsgas weiter zu nutzen. Der Statorteil 102 ist
an dem Gehäuse 61 befestigt
und wird von dem Turbinenteil 105 gefolgt, der an der Rotorwelle 62 befestigt
ist. Es kann eine oder mehrere dieser Turbinenstufen geben. Der
Düsenauslass
kann geringfügig
zu der stromabwärts
befindlichen Turbinenstufe 101 gerichtet sein, was bei seinem
Betrieb nützlich
ist. Nachdem der Abgasstrahl durch die Turbinenstufe 101 gelaufen
ist, verlässt
er den Motor durch Fließen
durch den Kanal 106 in dem Gehäuse 61. Einige oder
alle der Turbinenstufen können
an anderen Wellen befestigt sein, die von der Hauptrotorwelle 62 unabhängig sind.
Bei
der Ausführungsform
von 6 enthält ein Motorgehäuse 110 einen
Rotor 111, der an einer Rotorwelle 112 befestigt
ist. Die Rotorwelle 112 ist in Lagern 113 und 114 drehbar
gelagert. Der Hochgeschwindigkeits-Abgasstrahl fließt durch
den Gehäusekanal 115 an
den Stator 116 und die Turbine 117. Die Turbine 117 ist
mit einer Welle 120 verbunden, die in Lagern 121 und 122 drehbar
gelagert ist. Das Gehäuse 110 weist
eine Vorkehrung für
die Welle 120 auf, um durch den Motorabgaskanal 125 zu
laufen, und Leistung an die erforderliche externe Vorrichtung zu
liefern.
Es
gibt ferner Elemente an diesem Motor, die in den vorangehenden Figuren
nicht gezeigt sind, wobei sie jedoch bei jeder Motorausgestaltung übliche Praxis
sind. Diese Elemente umfassen Getriebe, um das richtige Verhältnis von
Rotordrehzahl zu gewünschter
Motorausgangsdrehzahl, Lagerschmierung und Kühlsysteme, Luftfilter, Kraftstoffpumpen, Steuerungen,
Zündschaltungen
und weitere gewöhnliche
Motorenteile bereitzustellen. Um den Wirkungsgrad oder die Leistungsabgabe
des Motors zu verbessern, können
herkömmliche
Verdichter verwendet werden, um die Einlassluft zu verdichten, und Zwischenkühler können vorhanden
sein, um diese verdichtete Luft zu kühlen, bevor sie an den Rotoreinlass
geliefert wird.
Ein
Verbrennungsmotor ist oben stehend beschrieben. Verschiedene Einzelheiten
der Erfindung können
geändert
werden, ohne von ihrem Schutzumfang abzuweichen. Ferner werden die
vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
und die beste Betriebsart des Praktizierens dieser Erfindung nur
für den
Zweck Veranschaulichung und nicht für den Zweck der Begrenzung
bereitgestellt; die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.