DE1055297B

DE1055297B - Free-piston jet engine with nozzle piston compressor

Info

Publication number: DE1055297B
Application number: DEE11624A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Johann Endres
Original assignee: Dr-Ing Johann Endres
Current assignee: Dr-Ing Johann Endres
Priority date: 1955-12-02
Filing date: 1955-12-02
Publication date: 1959-04-16

Description

Freikolben-Strahltriebwerk nüt Düsenkolben-Verdichter Im deutschen Patent 1030 106 ist ein Strahltriebwerk in Freikolbenbauart für hohe Fluggeschwindigkeiten unter Schutz gestellt worden, bei dem ein zentrisch angeordneter doppeltwirkender und gegenläufiger Freikolbenmotor einen konzentrisch angeordneten doppeltwirkenden gegenläufigen Düsenkolben-Verdichter antreibt, der die Staudruckluftmasse weiterverdichtet und als intermittierenden Strahl durch die Düsen unter Erzeugung von Schubkräften ausstößt. Der Wirkungsgrad der Schubkrafterzenzung liegt wegen des Antriebs durch den hochaufgeladenen Diesel-Freikolbenmotor wesentlich höher als bei Turbinentriebwerken. Dagegen ist die Leistung der Antriebskolbenmaschine wegen des relativ ge- ringen Luftdurchsatz#es der Verbrennungszylinder be- grenzt.Free piston jet engine with nozzle piston compressor In the German patent 1030 106 , a jet engine in free piston design for high flight speeds has been placed under protection, in which a centrally arranged double-acting and counter-rotating free piston engine drives a concentrically arranged double-acting counter-rotating nozzle piston compressor, which drives the dynamic pressure air mass further ejects intermittent jet through the nozzles producing thrust forces. The efficiency of the thrust generation is significantly higher than that of turbine engines because of the drive by the highly charged diesel free-piston engine. In contrast, the power of the drive piston engine is due to the relatively overall wrestle airflow in # the combustion cylinder limited.

Die vorliegende Zusatzerfindung ist eine Weiterentwicklung der Grundlage des Hauptpatents mit dem Ziel, die Antriebsleistung zu steigern. Es wird vorgeschlagen, das Problem der Leistungskonzentration bei Freikolbenmechanismen durch Anwendung der Trommelbauart und durch Kombination des Freikolbenmotor-Düsenkolben-Verdichters im Hochdruckgebiet mit der Strömungsmaschine im Niederdruckgebiet in Form eines Abgasturboladers zu lösen.The present additional invention is a further development of the basis of the main patent with the aim of increasing the drive power. It is suggested, the problem of power concentration in free piston mechanisms through application the type of drum and the combination of the free piston engine and nozzle piston compressor in the high pressure area with the flow machine in the low pressure area in the form of a To solve the exhaust gas turbocharger.

Während beim Hauptpatent einem doppeltwirkenden gegenläufigen Düsenkolben-Verdichter ein einziger zent'rischer Freikolbenmotor mit zwei doppeltwirkenden gegenläufigen Verbrennungskolben unter Bildung von zwei äußeren und einem inneren Verbrennungsraum zugeordnet ist, wird in Erweiterung des deutsehen Patents 1030 106 bei der vorliegenden Erfindung ein zentrisch angeordneter doppeltwirkender gegenläufiger Düsenkolben-Verdichter von mehreren konzentrisch angeordneten Freikolbenmotoren *in Trommelbauart mittels radialer Kupplungselemente in der Ausführung des Hauptpatentes angetrieben. Dabei beaufschlagen dann in an sich bekannter Weise die Abgase der Freikolbenmotoren eine vorgeschaltete Gasturbine, die einen Turboverdichter antreibt, der die Staudruckluftmasse weiterverdichtet und einen Teil der verdichteten Luftmasse zur Aufladung in die Verbrennungszylinder und die Hauptluftmasse zur Aufladung in jen Düsenkolben-Verdichter fördert, in dem die Hochverdichtung und Expansion auf die der Flug-eschwindigkeit entsprechenden Strahlgeschwindigkeit in der Schubdüse erfolgt.While in the main patent a double-acting counter-rotating nozzle piston compressor is assigned a single centric free-piston engine with two double-acting counter-rotating combustion pistons forming two outer and one inner combustion chambers, a centrally arranged double-acting counter-rotating nozzle piston is used in the extension of German patent 1030 106 in the present invention -Compressor driven by several concentrically arranged free piston motors * in drum design by means of radial coupling elements in the design of the main patent. The exhaust gases from the free-piston engines then act in a manner known per se to an upstream gas turbine which drives a turbo compressor, which further compresses the ram air mass and promotes part of the compressed air mass for charging into the combustion cylinder and the main air mass for charging in that nozzle piston compressor in which the high compression and expansion to the jet speed corresponding to the flight speed takes place in the thrust nozzle.

Zur Erhöhung der Leistung der Niederdruck-Turbostufe ist eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung und Luftbeimischung vor der Turbine vorgesehen. Zur weiteren Leistungssteigerung kann nach bekannten Verfahren in der Schubdüse eine Nachverbrennung angeordnet werden, die bei der vorliegenden Erfindung wegen des hohen Düsendruckverhältnisses mit höherem Wirkungsgrad erfolgt, als dies bei Turbineritriebwerken der Fall ist.To increase the performance of the low-pressure turbo stage, there is an additional Fuel injection and air admixture are provided upstream of the turbine. To further An afterburning in the exhaust nozzle can be used to increase the output according to known methods are arranged in the present invention because of the high nozzle pressure ratio takes place with higher efficiency than is the case with turbine engines.

In der vorliegenden Erfindung sind also die Vorzüge der Strömungsmaschine mit ihrem bekannten, großen Schluckvermögen im Niederdruckgebiet und t' 23 die der Kolbenmaschine mit ihrem hohen Stufendruckverhältnis zu einer Leistungseinheit mit hoher Leistungskonzentration und niedrigem Leistungsgewicht bei gleichzeitig optimalem Wirkungsgrad und niedrigem Kraftstoffverbrauch kombiniert.In the present invention, then, are the advantages of the turbomachine with their well-known, large absorption capacity in the low-pressure area and t'23 that of the Piston machine with its high stage pressure ratio to a power unit with high power concentration and low power-to-weight ratio with optimal performance at the same time Combined efficiency and low fuel consumption.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungszylinder in an sich bekannter Trommelbauart um den innerhalb und konzentrisch zu der Trommelbauart liegenden Düsenkolben-Verdichter anzn geordnet sind.The invention is characterized in that the combustion cylinder in a drum design known per se around the inside and concentric to the drum design lying nozzle piston compressors are arranged.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt, es sind lediglich die zum Verständnis des Erfindungsgedankens notwendigen technischen Merkmale dargestellt.An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing. The invention is not limited to this example, only those for Understanding of the inventive concept necessary technical features are shown.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch das Triebwerk mit zentrisch liegendem Freikolben-Verdichter, außenlielgenden Freikolbenmotoren und vorgeschalteter Turbostufe; Fig. 2 zeigt das Triebwerk im Querschnitt mit einem zentrisch angeordneten Freikolben-Verdichter und einer Anzahl konzentrisch angeordneter Freikolbenmotoren. 1 shows a longitudinal section through the engine with a centrally located free-piston compressor, external free-piston engines and an upstream turbo stage; Fig. 2 shows the engine in cross section with a centrally arranged free piston compressor and a number of concentrically arranged free piston motors.

Die durch die Einlaßdüse a mit Staudruck eintretende Luft wird durch den Turbo-Verdichter b weiter verdichtet und zum Teil in die Brennkammer c und zum Teil in den äußeren Ringkanal d gefördert. In die Brennkammer c werden außerdem die Abgase der Freikolbenmotoren c mittels Rin2rohrleitun-7en f geleitet. Die Motorabgase und der Teilluftstrom der Staudruckmasse beaufschlagen die Abgasturbine g, die den Turbo-Verdichter b antreibt, wobei die Turbinenleistung durch Kraftstoffeinspritzung mittels Düse h in der Brennkammer erhöht werden kann. Die Abgase strömen durch die innere Schubdüse i aus. Der äußere Teilluftstrom der Staudruckmasse wird durch den äußeren Ringkanal d und die Einlaßorgane j in die Verdichtungsräume k eines doppeltwirkenden gegenläufigen Düsenkompressors 1 mit den Düsenkolben »i geleitet, wo die Verdichtung der Hauptimptilsmasse auf das zur Erreichung der Überschallgeschwindigkeit erforderliche Druckverhältnis erfolgt. Der Treibstrahl tritt durch die Düsen it aus unter Expansion auf den Außendruck. Der Antrieb der Düsenkolben in erfolgt mittels radialer Kupplungselemente o durch die doppeltwirkenden und gegenläufigen Verbrennungskolben p, die in einem Verbrennungszylinder Z, q t' mit den Verbrennungsräumen r angeordnet sind.The air entering through the inlet nozzle a with dynamic pressure is further compressed by the turbo compressor b and conveyed partly into the combustion chamber c and partly into the outer annular channel d. The exhaust gases from the free piston engines c into the combustion chamber also means Rin2rohrleitun c-7-ene f passed. The engine exhaust gases and the partial air flow of the dynamic pressure mass act on the exhaust gas turbine g, which drives the turbo-compressor b , whereby the turbine output can be increased by fuel injection using the nozzle h in the combustion chamber. The exhaust gases flow out through the inner thrust nozzle i. The outer partial air flow of the dynamic pressure mass is passed through the outer ring channel d and the inlet organs j into the compression chambers k of a double-acting counter-rotating nozzle compressor 1 with the nozzle piston »i, where the compression of the mainimptile mass takes place to the pressure ratio required to achieve supersonic speed. The propellant jet exits through the nozzles it with expansion to the external pressure. The nozzle pistons in are driven by means of radial coupling elements o through the double-acting and counter-rotating combustion pistons p, which are arranged in a combustion cylinder Z, qt 'with the combustion chambers r.

Die Kühlung der Zylinder q erfolgt mittels Rippen durch den Luftstrom im Ringkanal s, wobei das erforderliche Druckgefälle der Kühlluft im Fluge durch den Staudruck und im Stand durch die Absaugung in der Mischdüse t erzeugt wird. Durch die Aufheizung des Kühlluftstromes wird ein zusätzlicher Schub erzeugt. Die Aufladung der Motorzylinder sowie die Synchronisierung der gegenläufigen Systeme erfolgt nach bekannten Verfahren.The cylinders q are cooled by means of ribs through the air flow in the ring channel s, the required pressure gradient of the cooling air being generated in flight by the dynamic pressure and, when stationary, by the suction in the mixing nozzle t. The heating of the cooling air flow generates an additional thrust. The charging of the engine cylinders and the synchronization of the opposing systems are carried out according to known methods.

Die Ausführung des Triebwerks als Verbundtriebwerk gewährleistet einen hohen Wirkungsgrad mit entsprechend niedrigen Kraftstoffverbrauchen, wie sie bei Langstreckenflügen im Luftverkehr verlangt werden müssen. Ein besonderer Vorteil gegenüber den reinen TL-Triebwerken liegt in der Leistungskonstanz des Verbundtriebwerks bis in größere Flughöhen durch die konstante Leistung der aufgeladenen Diesel-Freikolbenmotoren, die über die Düsenkolben direkt in Strahlleistung umgeformt wird. Besonders vorteilhaft ist auch die bauliche Ausführung des Düsenkolben-Verdichters mit zwei bzw. vier Düsenkolben, welche die gesamte motorische Leistung der Dieselmotoreinheiten aufnehmen. Bei der Vorverdichtung der Impulsmasse durch den Flugstau und den Turbo-Verdichter ist das Durchsatzvolumen im Düsenkolben-Verdichter klein, so daß sich die baulichen Abmessungen und Gewichte sehr günstig gestalten und durch das hohe Druckverhältnis eine hohe Leistungskonzentration des gesamten Triebwerks erreicht wird.The execution of the engine as a compound engine ensures a high efficiency with correspondingly low fuel consumption, as in Long-haul air travel must be required. A particular advantage compared to the pure TL engines, lies in the constancy of performance of the compound engine up to greater altitudes thanks to the constant power of the supercharged diesel free-piston engines, which is converted directly into jet power via the nozzle piston. Particularly beneficial is also the structural design of the nozzle piston compressor with two or four Nozzle pistons, which absorb the entire engine power of the diesel engine units. When the impulse mass is pre-compressed by the traffic jam and the turbo compressor the throughput volume in the nozzle piston compressor is small, so that the structural Make dimensions and weights very cheap and thanks to the high pressure ratio a high power concentration of the entire engine is achieved.

Zur Erhöhung des Startschubes kann in der Schubdüse eine Nachverbrennung vorgesehen werden, die bei den hohen Druckverhältnissen im Düsenkolben-Verdichter mit gutem Wirkungsgrad arbeitet.To increase the starting thrust, afterburning can be carried out in the exhaust nozzle can be provided, which at the high pressure conditions in the nozzle piston compressor works with good efficiency.

Durch die Erfindung wird nach Ansicht des Erfinders das Problem des Strahlantriebs vor allem auch bei höheren Fluggeschwindigkeiten oberhalb der Schallgeschwindigkeit auf eine ganz neue GrundlageAccording to the inventor, the invention solves the problem of Jet propulsion especially at higher flight speeds above the speed of sound on a whole new basis

Claims

Claim: free piston jet engine with nozzle piston compressor, in which radial coupling elements are provided between the combustion piston and the nozzle piston for the transmission of the gas forces generated in the combustion chambers of a double-acting and counter-rotating free piston internal combustion engine, according to patent 1030 106, characterized in that the combustion cylinder in drum design known per se are arranged within and concentrically to the drum assembly lying nozzle piston compressors. Documents considered: Swiss Patent No. 178 316; USA. Patent Nos 2,580,591, 2,439 473. Contemplated prior patents: German patent no. 1030 106th.