DE19541183C2 - Hydrodynamische Antriebseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrodynamische Antriebseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der US-PS 2,971,325 ist eine hydrodynamische Antriebseinrichtung bekannt, bei der Brennstoff und Sauerstoff in ein Reaktionsrohr einge­ bracht werden. An das Reaktionsrohr schließt sich eine Lavaldüse an. Das Reaktionsrohr wird über eine Einspritzpumpe mit Primärwasser ver­ sorgt, wobei diese Einspritzpumpe ihre Energie über einen Bypass aus dem Reaktionsrohr erhalten soll. Das Reaktionsrohr ist von Sekundärwas­ ser umgeben.

Diese Anordnung bewirkt hauptsächlich im Kreuzungspunkt der Brenn­ stoff- bzw. Sauerstoffzuführung mit dem Primärwasserstrahl die Durch­ mischung. Diese setzt sich in Richtung auf die Lavaldüse fort. Radial dazu nimmt mit zunehmendem Abstand die Durchmischung ab, d. h., es wird im wesentlichen ein Gasschlauch gebildet, der von Primärwasser umgeben ist. Hierbei zeigt sich der Nachteil, daß die Komponenten Brennstoff und Wasser nicht ausreichend durchmischt werden.

Zur Verbesserung der Durchmischung werden nach der DE 42 36 043 A1 in einer Querschnittsebene mehrere Einspritzdüsen für den Brennstoff angeordnet. Auch die hierdurch erreichbare Durchmischung ist jedoch nicht ausreichend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine hydrodynamische Antriebseinrichtung zu schaffen, bei der über den Querschnitt der Strö­ mung eine homogene Durchmischung von Wasser und Brennstoff inner­ halb einer kurzen Wegstrecke erfolgt.

Die Erfindung löst dies Aufgabe entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen in der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Wesentlich ist, daß am Eintritt in das Reaktionsrohr in einer mehr oder weniger unvollständigen Reaktion soviel Wärme freigesetzt wird, daß die dünnen Wände des Reaktionsrohres so stark erhitzt werden, daß die in der Außenströmung noch verbleibenden, noch nicht verdampften Teile der Reaktionspartner in die gasförmige Phase übergeben.

Erfindungsgemäß erfolgt die nahezu vollständige Durchmischung auf­ grund einer labyrintförmigen Umsetzungsstrecke, wobei in der Reaktions­ kammer ein quasi isobarer Prozeß abläuft. Eine geeignete Strömungsfüh­ rung aufgrund nicht beweglicher, also feststehender Leiteinrichtung be­ wirkt die nahezu doppelte Strömungsstrecke innerhalb einer Reaktions­ kammer. Ein wichtiger Faktor für die Durchmischung ist die Umlenkung des bereits teilweise umgesetzten Brennstoff-Wassergemisches am Bo­ den des Reaktionsrohres innerhalb der Reaktionskammer.

Hierzu ist dieser Boden als Prallplatte ausgebildet. Bodenseitige Öffnun­ gen ermöglichen zum Einen eine Verwirbelung im Bodenbereich des Reaktionsrohres, indem die Öffnungen in einem axialen Abstand von etwa 15% der Innenlänge des Reak­ tionsrohres am Umfang desselben vorgesehen sind. Wei­ terhin erlauben diese Öffnungen das Abströmen des Brennstoff-Wassergemisches in den radialen Bereich des Reaktionsrohres aufgrund des Arbeitsdruckes im Reakti­ onsrohr. Der entgegen der Strömungsrichtung offene Ringraum, der durch die Wand der Reaktionskammer ge­ bildet ist, erzwingt die Gegenströmung des Brennstoff- Wassergemisches entgegen der Einspritzrichtung also strömungsaufwärts. Dadurch wird eine weitere Durchmi­ schung des Brennstoff-Gaswassergemisches bewirkt, so daß etwa am Ende der Gegenströmung eine nahezu voll­ ständige Durchmischung vorliegt.

Der tropfenförmig ausgebildete Düsenkörper setzt dem Sekundärwasser einen nur geringen Strömungswiderstand entgegen. Andererseits erlaubt er auf konstruktiv ein­ fache Weise die gleichzeitige Einspritzung von Brenn­ stoff und primären Wasser. Überraschend ist durch den Abstand zwischen dem Düsenkörper und der Reaktionskam­ mer bzw. Reaktionsrohr und zwar trotz dem mantelseitig dazu strömenden sekundären Wasserstrom, daß die Durch­ mischung des Brennstoffs und des primären Wassers ge­ währleistet ist.

Es kann davon ausgegangen werden, daß aufgrund dieses Abstandes auch ein gewisser Teil des sekundären Wasser­ stromes mit Brennstoff durchmischt wird, indem Teile des sekundären Wasserstromes aufgrund der Einspritzwir­ kung des Düsenkörpers und aufgrund der Saugwirkung der Reaktionskammer abgezogen werden. Als besonders günstig für die Durchmischung hat es sich gezeigt, daß der Brennstoff durch eine zentral in diesem Körper angeord­ nete Düse einzuspritzen ist, während die Wasserdüse au­ ßerhalb der Hauptachse angeordnet ist. Die Achsen der Wasserdüsen schneiden die Hauptachse des Reak­ tionsrohres und zwar innerhalb des Reaktionsrohres.

Diese Anordnung der Düsen bewirkt eine Durchmischung - ähnlich einem kugelförmigen Durchmischungsraum - näm­ lich von Innen nach Außen.

Eine besonders gute Durchmischung von Brennstoff und Primärwasser wird durch die divergierend ausgebildete Kegeldüse für den Brennstoff erreicht. Denn der aufge­ fächerte Brennstoff-Kegelstrahl trifft winklig auf den konvergierenden Primärwasserkegel. Der Primärwas­ serkegel mit gewissen Anteilen des Sekundärwassers wird bereits beim Auftreffen des divergierenden Brennstoff- Kegelstrahl teilweise vom Brennstoff durchdrungen und dann in Richtung auf die Hauptachse des Reaktionsrohres transportiert. Im Schnittpunkt des konvergierenden Primärwasserstrahles mit den bereits enthaltenen Brenn­ stoffanteilen erfolgt aufgrund der kinetischen Energie der Flüssigkeitsteilchen bzw. Gaswassersdampfanteile schwerpunktmäßig eine weitere Durchmischung.

Der nächste markante Durchmischungsort ist dann die Prallplatte.

Wesentlich für den Anspruch 7 ist, daß sich das Reaktionsrohr schnell genug erwärmt und die in der Reaktionskammer auftretenden Differenzdrücke aufnimmt.

Darauf folgt als vierter wesentlicher Durchmischungsort der Durchtritt des Brennstoff-Gaswasser-Gemisches durch die Entlastungsbohrungen des Reaktionsrohres indem hier eine weitere Verwirbelung erfolgt.

Als letzte Durchmischungsstrecke liegt der Ringraum zwischen dem Reaktionsrohr und der Innenwand der Reaktionskammer vor. Damit ist gewährleistet, daß eine nahezu vollständige Durchmischung von Brennstoff und Primärwasser beim Austritt aus den umfangsseitigen Öffnungen der Reaktionskammer in die Sekundär- Wasserströmung erreicht ist. Diese Öffnungen sind - ausgehend von der Prallplatte strömungsaufwärts in einem axialen Abstand von etwa 70% der Innenlänge des Reaktionsrohres angeordnet.

Eine Verengung der strömungsaufwärts liegenden Öffnung der Reaktionskammer durch einen Konus nach Anspruch 9 bewirkt für gewisse Mengenanteile der Strömung, die bis zu dieser Öffnung gelangen eine weitere Durchmischung. Ein Abströmen dieser Mischungsanteile erfolgt in Umfangsrichtung, also um den Konus herum radial nach außen; andererseits bewirkt der Konus eine Ablenkung des sekundären Wasserstromes von der Öffnung der Reaktionskammer. Es können daher nur geringe Anteile des sekundären Wasserstromes von dem kegeligen Primärwasserstrom mitgerissen werden.

Die dünne Wand des Reaktionsrohres nimmt verhältnismä­ ßig rasch die Betriebstemperatur auf, so daß in relativ kurzer Zeit die optimale Arbeitstemperatur innerhalb der Reaktionskammer erreicht wird.

Eine stufenförmige, gravierende Querschnittserweiterung des Innenvolumens des Gehäuses etwa in der Ebene der Eingangsöffnung des Reaktionsrohres und zwar in Verbin­ dung mit einem am Düsenkörper in Fließrichtung sich verengenden Strömungsquerschnitt für das Sekundärwasser ergibt einen Druckabfall für den Umgebungsbereich der Reaktionskammer. Dieser Druckabfall begünstigt die Strömung der aus den umfangsseitigen Öffnung der Reak­ tionskammer austretenden Mischung und bewirkt die wei­ tere Durchmischung mit dem Sekundärwasser augrund der geringen Oberflächenspannung der Gaswasserdampfblasen.

Ein Potenzierungseffekt dieser Durchmischung von Brenn­ stoff und Wasser ergibt sich durch mehrfache Anordnung der vorbeschriebenen Baueinheit bezogen auf den Quer­ schnitt einer hydrodynamischen Antriebseinrichtung.

Ein besonders guter Durchmischungsgrad liegt dann vor, wenn eine Zentraleinheit und dazu periphere angeordnete weitere Einheiten vorgesehen sind, wobei die Achsen der Einheiten stromabwärts einen oder mehrere Schnittpunkte mit der Hauptachse bilden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine hydrodynamische Antriebsein­ richtung im Querschnitt in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in ver­ größerter Darstellung und

Fig. 3 eine mehrfache Anordnung von hydrodynamischen Antriebseinrichtungen entsprechend Fig. 1.

Eine hydrodynamische Antriebseinrichtung 1 besteht aus einem Gehäuse 2, einem durch Stege 3 gehaltenen Dü­ senkörper 4 sowie einer durch Stege 5 gehaltenen Reak­ tionskammer 6.

Das Gehäuse 2 besitzt einen Einlauf 10 für Wasser 11 entsprechend der durch einen Pfeil angedeuteten Strö­ mungsrichtung 12. Der mit zylindrischem Querschnitt versehene Einlauf 10 geht über in einen etwa tropfen­ förmigen Erweiterungsquerschnitt 13 in dem der rotati­ onssymetrisch ausgebildete Düsenkörper 4 befestigt ist.

Der Erweiterungsquerschnitt 13 bildet mit dem entspre­ chend tropfenförmig ausgebildeten Düsenkörper 4 einen sich in Strömungsrichtung 12 zunächst verengenden, dann gleichbleibenden Strömungsquerschnitt 14. Dieser Strö­ mungsquerschnitt 14 mündet in einen Totwasserbereich 15. Dieser Totwasserbereich 15 wird gebildet durch eine plane Fläche 16 des Düsenkörpers 4, einen Bereich 17 und durch die Reaktionskammer 6 mit einem Innenkonus 21.

Der Strömungsquerschnitt 14 verengt sich zwar beginnend mit der Spitze 18 des Düsenkörpers 4 entsprechend einem Bereich 19. Danach bleibt der Strömungsquerschnitt ent­ sprechend einem Bereich 20 etwa gleich.

Ab einer Ebene 22 konvergieren sowohl die Außenkonturen des Düsenkörpers 4 als auch die Innenkontur des Gehäu­ ses. Stromabwärts liegt ein ringförmiger Strömungsquer­ schnitt 24 etwa in einer Ebene 23. In dieser Ebene 23 liegt die Eingangsöffnung 7 der Reaktionskammer 6.

In der Reaktionskammer 6 ist bodenseitig ein dünnwandi­ ges Reaktionsrohr 30 mit mehreren Entlastungsbohrungen 31 befestigt. Die Entlastungsbohrungen 31 liegen in einem axialen Abstand 32 von dem als Prallplatte 25 ausgebildeten Boden des Reaktionsrohres 30. Dieser Abstand 32 beträgt etwa 10% bis 20%, vorzugsweise 15% der gesamten Innenlänge 26 des Reaktionsrohres 30.

Zwischen einer Innenwand 34 der Reaktionskammer 6 und dem Reaktionsrohr 30 besteht ein Ringraum 35. Der Ring­ raum 35 ist stromaufwärts, also entgegen der Strömungs­ richtung 12 offen, siehe hierzu auch das Reaktionsrohr 30 mit seiner Eingangsöffnung 33. Zwischen den Ein­ gangsöffnungen 7, 33 liegt ein Abstand 36.

Die relativ dickwandige Reaktionskammer 6 besitzt meh­ rere umfangsseitige Öffnungen 40 und zwar in einem Ab­ stand 41 von den Öffnungen 31. Der Abstand 41 beträgt in Bezug auf die Innenlänge des Reaktionsrohres 30 etwa 50% bis 60%, vorzugsweise 55%.

Die Eingangsöffnung 7 ist durch den kurzen, konver­ gierenden Innenkonus 9 der Reaktionskammer 6 begrenzt.

Die Reaktionskammer 6 liegt in einem Abschnitt 44 des Gehäuses 2, der eine wesentliche Volumenerweiterung bzw. Querschnittserweiterung 43 gegenüber dem Strömungsquerschnitt 24 aufweist. Die nach dem Ab­ schnitt 44 in Strömungsrichtung 12 folgenden Quer­ schnitte verringern sich dann kontinuierlich bis zu ei­ ner Lavaldüse 42.

Der Düsenkörper 4 besitzt eine zentral angeordnete, di­ vergierende Kegeldüse 45 für einen Brennstoff 46, wie NAK und in gleicher Ebene, jedoch radial beabstandet eine konvergierende Kegeldüse 47 für das Primärwasser 48. Sowohl der Brennstoff 46 als auch das Primärwasser 48 werden über Anschlüsse 49, 50 und nicht gezeichnete Rohrleitungen dem Düsenkörper 4 zugeführt.

Das Sekundärwasser ist mit 51 bezeichnet (Fig. 1). Die­ ses wird vor dem Düsenkörper 4 über eine Bohrung 52 aus dem Hauptstrom 10, 11 entnommen und über eine nicht dargestellte Pumpe dem Anschluß 50 zugeführt.

Ein Abstand zwischen der Eingangsöffnung 33 des Re­ aktionsrohres 30 und der Fläche 16 des Düsenkörpers 4 ist mit 37 bezeichnet.

Zur Funktion: Das Gesamtwasser 11 strömt in das Gehäuse 2 ein. Der Düsenkörper 4 bewirkt einen kegelförmigen Strömungsmantel in der Form des Sekundärwassers 51, nachdem durch die Entnahmestelle 52 das Primärwasser 48 abgezweigt ist.

Das Sekundärwasser 51 wird größtenteils in eine Quer­ schnittserweiterung 43 des Gehäuses 2 abgelenkt. Zum geringeren Teil gelangen Wirbel in den Totwasserbereich 15. Die Inbetriebnahme der hydrodynamischen Antriebs­ einrichtung 1 erfolgt durch das gleichzeitige Einsprit­ zen von Brennstoff 46 und Primärwasser 48.

Eine Durchmischung von Brennstoff 46 und Primärwasser 48 mit geringen Anteilen von Sekundärwasser 51 erfolgt bereits im Todwasserbereich 15 bis zum Schnittpunkt des Primärwasserkegels 48.1 mit einer Hauptachse 53 der An­ triebseinrichtung 1 im Punkt 54. Das Gas-Wasserdampf­ gemisch 55 weist weitgehend eine laminare Strömung auf. Dieses Gemisch prallt auf die Prallplatte 25, so daß dort eine weitere markante Durchmischung erreicht wird.

Diese Gas-Wasserdampfmischung 55 gelangt dann durch die Entlastungsbohrungen 31 in den Ringraum 35, so daß entsprechend den Pfeilen 57 die Gas-Wasserdampfmischung 55 entgegen dem Pfeil 12 zu den Öffnungen 40 und zum kleinen Teil um den Innenkonus 21 herum radial nach außen gemäß dem Pfeil 39 strömt. Von dort gelangt das Gas-Wasserdampfgemisch in die relativ große Querschnittserweiterung 43 des Gehäuses 2. Der dort herrschende niedrigere Druck bewirkt eine Entspannung des Gas-Wasserdampfgemisches, so daß sich dieses mit dem Sekundärwasser 51 mischt.

Aufgrund des guten Durchmischungswertes wird eine ent­ sprechend große Umsetzung des Brennstoffes mit dem Hauptwasser 11 erreicht, so daß ein entsprechender Schub an der Antriebseinrichtung vorliegt.

Wesentlich ist hierbei, daß in der Reaktionskammer 6 bzw. im Reaktionsrohr 30 ein sogenannter stationärer Betriebszustand besteht, d. h., ein pulsierender Be­ triebszustand innerhalb des Reaktionsrohres 30 aufgrund gegenläufiger Strömungsrichtung tritt nicht auf, dies trifft ebenso für den Ringraum 35 zu.

Nach Fig. 3 sind funktionsgleiche Teile mit Bezugszei­ chen entsprechend der Fig. 1 und 2 bezeichnet.

Eine hydrodynamische Antriebseinrichtung 60 besteht aus einem rotationssymetrischen Gehäuse 61 mit einer zen­ tralen, in der Hauptachse 53 des Gehäuses 61 montierten Antriebseinheit 62, sowie aus mehreren, auf einem Teil­ kreis 63 gleichmäßig angeordneten peripheren An­ triebseinheiten 64.

Der Düsenkörper 4 mit den Strömungsquerschnitten 14, dem Totwasserbereich 15, der Reaktionskammer 6 und dem Abschnitt 44 bilden die Antriebseinheit 62 bzw. 64.

Zwischen der zentralen Antriebseinheit 62 und den peri­ pheren Einheiten 64 liegen stationäre Strömungskörper 65. Damit werden die Strömungsquerschnitte 14 entspre­ chend der Fig. 1 gewährleistet.

Die Achsen 67 der peripheren Antriebseinheiten 64 schneiden sich in einem Punkt 68 der Hauptachse 53 und zwar außerhalb der Düse 42. Dieser Punkt kann auch in Richtung auf die zentrale Antriebseinheit 62 verschoben sein.

Die zentrale Antriebseinheit 62 ist aufgrund ihres grö­ ßeren Bauvolumens leistungsfähiger als jede kleine pe­ riphere Einheit 64.

Nicht gezeichnete Stege bzw. Ringe fixieren die Einhei­ ten 62, 64 in dem Gehäuse 61.

Mit dieser Ausführung werden an gewissen über den Quer­ schnitt des Innenraumes 66 des Gehäuses 61 verteilten Orten das Gas-Wasserdampf-Wassergemisch erzeugt und vor Ort, also durch die jeweiligen Einheiten 62, 64 ver­ mischt. Dadurch liegt bei gleichem Wasserdurchsatz und Brennstoffdurchsatz entsprechend der Ausführungen gemäß Fig. 1 ein wesentlich größerer Wirkungsgrad vor.

Claims (13)

1. Hydrodynamische Antriebseinrichtung (1) mit einem Gehäuse (2), ei­ ner Reaktionskammer (6) für die Reaktion von Brennstoff (46) mit Pri­ märwasser (48), wobei die Reaktionskammer (6) im Sekundärwasser (51) liegt, und der Brennstoff (46) geneigt zur Strömungsrichtung (12) in das Reaktionsrohr (30) einspritzbar ist, mit einer Einspritzdüse (45) für den Brennstoff (46) und mit einer Austrittsdüse (42), dadurch gekennzeichnet, daß zur Umkehrung der Strömung das Reaktionsrohr (30) umfangs­ seitig Entlastungsbohrungen (31) aufweist und zwischen dem Reakti­ onsrohr (30) und der Reaktionskammer (6) ein Ringraum vorliegt, wo­ bei der Ringraum (35) durch die Wand der Reaktionskammer (6) und dem Reaktionsrohr (30) gebildet ist und die Wand der Reaktionskam­ mer (30) Öffnungen (40) aufweist.

2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsrohr (30) bodenseitig eine Prallplatte (25) und dazu benachbart die umfangsseitigen Entlastungsbohrungen (31) besitzt, sowie einen umfangseitigen, entgegen der Strömungsrichtung (12) offenen Ringraum (35) aufweist, wobei der Ringraum (35) durch die Wand der Reaktionskammer (6) gebildet ist.

3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein strömungsgünstiger, tropfenförmig ausgebildeter Düsenkörper (4) für Brennstoff (46) und Primärwasser (48) koaxial und in einem Ab­ stand (17) zu dem Reaktionsrohr (30) angeordnet ist.

4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Düsenkörper (4) eine zentral angeordnete Düse (45) für Brennstoff (46) und peripher dazu wenigstens eine Düse (47) für Pri­ märwasser (48) besitzt, wobei
die Achsen (48.1) der Wasserdüse (47) die Hauptachse (53) der An­ triebseinrichtung (1) innerhalb des Reaktionsrohres (30) schneidet.

5. Antriebseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff (46) durch eine divergierende Kegeldüse (45) und peripher dazu das Primärwasser (48) durch eine konvergierende Ke­ geldüse (47) in das Reaktionsrohr (30) einspritzbar sind.

6. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatte (25) durch den Boden des Reaktionsrohres (30) ge­ bildet ist.

7. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Reaktionsrohr (30) innerhalb der Reaktionskammer (6) befe­ stigt ist,
und das Reaktionsrohr (6) im Verhältnis zur Wand der Reaktionskam­ mer (6) sehr dünn ausgebildet ist.

8. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (6) umfangsseitig Öffnungen (40) aufweist, die zu den Entlastungsbohrungen (31) des Reaktionsrohres (30) axial nämlich strömungsaufwärts versetzt sind.

9. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsöffnung (7) der Reaktionskammer (6) durch einen Konus (21) verengt ist.

10. Antriebseinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß etwa in der Ebene (23) der Eingangsöffnung (7) der Reaktions­ kammer (30) im Innenraum des Gehäuses (2) eine stufenförmige Querschnittserweitung (43) vorgesehen ist.

11. Antriebseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (4) mit den Strömungsquerschnitten (14), dem Totwasserbereich (15) der Reaktionskammer (6) und dem Abschnitt (44) mit der Querschnittserweiterung (43) des Gehäuses (2) eine An­ triebseinrichtung (62) bildet.

12. Antriebseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (2) eine zentrale, in der Hauptsache (53) des Gehäuses (2) liegende Antriebseinheit (62) und peripher dazu weiter Antriebseinheiten (64) befestigt sind.

13. Antriebseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (67) der peripheren Antriebseinheiten (64) sich entwe­ der in einem Punkt (68) der Hauptsache (53) oder in mehreren Punk­ ten schneiden.