DE19607829C2 - Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einer um ihre Längsachse drehbar gelagerten Verdichterkammer, in der ein in einer nachgeordneten, sich an die Verdichterkammer anschließenden Brennkammer zu verbrennendes Gas mittels einer sich koaxial zur Längsachse der Verdichterkammer erstreckenden, um diese mit der Verdichterkammer rotierenden und eine radiale Luftströmung erzeugenden Luftleiteinrichtung im Bereich der Innenfläche der äußeren Wandungen der Verdichterkammer verdichtbar ist und welche auf ihrer frontseitigen Stirnfläche mindestens eine Eintrittsöffnung aufweist, deren größter Durchmesser kleiner ist als der kleinste Durchmesser der Stirnfläche, wobei das im Bereich der Innenfläche der Verdichterkammer Verdichtete Gas entlang der Innenfläche in die Brennkammer einströmt und wobei die Brennkammer mit Austrittsdüsen ausgestattet ist, welche auf einem mit einer Abtriebswelle drehfest verbundenen Gehäuseelement derart angeordnet sind, daß das aus ihnen ausströmende Gas ein Drehmoment auf die Abtriebswelle ausübt

Derartige Verbrennungskraftmaschinen werden beispielsweise als Strahltriebwerke zum Antrieb von Landfahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen eingesetzt.

Bei bekannten Verbrennungskraftmaschinen wird die für die Verbrennung benötigte Luft unter Beimischung von Treibstoff als Gasgemisch in der Verdichterkammer durch jeweils eine rotierende Luftleiteinrichtung verdichtet. Diese kann beispielsweise durch mehrere hintereinander angeordnete Turbinenräder gebildet sein. Mittels einer solchen Luftleiteinrichtung wird ein in axialer Richtung der Verdichterkammer gerichteter Volumenstrom erzeugt, der unter hohem Druck in die Brennkammer eintritt. Dabei besteht ein Bestreben bei der Konstruktion derartiger Maschinen darin, möglichst viel Gas von günstigster Zusammensetzung in die Brennkammer einzubringen, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad der betreffenden Maschine zu erreichen.

Ferner ist aus US-PS 2 914 920 eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, bei der die Brennkammer drehbar angeordnet ist. Dabei ist das Gehäuse der Brennkammer beidseitig mit dem jeweiligen Gehäusemantel jeweils einer "Verdichterkammer" verbunden, die drehzahlgleich mit dem Gehäuse der Brennkammer drehen. Innerhalb der beiden "Verdichterkammern" sind "Luftleiteinrichtungen" vorgesehen. Die "Luftleiteinrichtungen" sind über Getriebe derart mit dem Gehäusemantel der Verdichter verkoppelt, daß die Drehzahl der "Luftleiteinrichtungen" wesentlich höher ist als die des Gehäuses. Außerdem rotieren die "Luftleiteinrichtungen" entgegengesetzt der Drehrichtung der Brennkammer.

Brennstoff wird über eine in der Drehachse der Maschine ausgebildete Leitung in den Brennraum geleitet. Die zur Verbrennung benötigte Luft wird über Lufteinlaßöffnungen, die im Bereich des äußeren Endes der Verdichterkammern angeordnet sind, in die Verdichterkammern gesaugt.

Aus den voranstehend Merkmalen der bekannten Maschinen ergeben sich folgende Nachteile:

Aufgrund der gegenüber der Drehzahl der Verdichterkammer vielfach höheren Drehzahl der "Luftleiteinrichtung", deren Drehrichtung und deren Formgebung wird ein Luftstrom unter hohem Druck in die Brennkammer gepreßt. Die in die Brennkammer gepreßte Luftmenge ist um ein Vielfaches größer als die Luftmenge, die zur Verbrennung tatsächlich benötigt wird. Der Luftmengenüberschuß wird jedoch benötigt, um eine möglichst vollständige Verbrennung der in die Brennkammer eingedüsten Brennstoffmenge zu gewährleisten. Die Erzeugung und Aufrechterhaltung des großen Luftstroms führt zu hohen Wirbelverlusten nicht nur in den Verdichterkammern, sondern auch in der Brennkammer insbesondere auch durch die gegenläufige Drehung von Brennkammer und Verdichterkammer.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Maschine besteht darin, daß aufgrund der Getriebe und der komplexen Formgebung der "Luftleiteinrichtung" und der Brennkammer hohe Kosten für die Herstellung und die Steuerung einer derartigen Maschine in Kauf genommen werden müssen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Wirkungsgrad einer Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art gelöst, bei der die Verdichterkammer gemeinsam mit der Luftleiteinrichtung, der Brennkammer und den Austrittsdüsen drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei einer ausschließlich radial gegen die Innenflächen der äußeren Wandung der Verdichterkammer gerichteten Verdichtung des Gases die dieser Verdichtung entgegenstehenden Kräfte geringer sind als bei einer Verdichtung des Gases, die im wesentlichen in axialer Richtung der Verdichterkammer gerichtet ist. Zusätzlich ist gemäß der Erfindung sichergestellt, daß das derart in radialer Richtung verdichtete Gas in einer axialen Strömung entlang der Innenflächen der Verdichterkammer in die Brennkammer einströmt. Auf diese Weise strömt stets soviel Gas in die Brennkammer ein, wie durch die Eintrittsöffnung in die Verdichterkammer gesogen wird.

Indem nun erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, die Verdichter­ kammer gemeinsam mit der Luftleiteinrichtung und der Brennkammer sowie den Austrittsdüsen drehfest mit der Abtriebswelle zu verbinden, werden die beim Stand der Technik nach der US PS 29 14 920 festgestellten Nachteile beseitigt.

Die erfindungsgemäße Maschine weist aufgrund der drehfesten Verkopplung von Verdichterkammer, Luftleiteinrichtung und Brennkammer einen denkbar einfachen Aufbau auf. Getriebe, über die diese Elemente miteinander verbunden werden, werden nicht benötigt. Statt dessen ist bei der erfindungsgemäßen Maschine stets sichergestellt, daß genau die Luftmenge, die für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs in der Brennkammer benötigt wird, in die Brennkammer gefördert wird.

Letzteres wird dadurch erreicht, daß bei der erfindungsgemäßen Maschine die Brennkammer drehzahlgleich mit der Verdichterkammer und den Austrittsdüsen der Verdichterkammer verbunden ist. Da das aus den Austrittsdüsen austretende, aus den nicht verbrannten Luftbestandteilen und Verbrennungsgasen gebildete Abgas ein Drehmoment auf die Abtriebswelle ausübt, die Drehzahl der Abtriebswelle also direkt abhängig ist von dem aus den Düsen abströmenden Gasvolumenstrom, wird durch den austretenden Gasvolumenstrom direkt die Menge der in die Verdichterkammer eingesogenen Luftmenge beeinflußt. D. h., in Abhängigkeit von der Anfangsdrehzahl der Maschine, der Art des zu verbrennenden Brennstoffes und der Menge der von der Abtriebswelle abgenommenen Energie wird sich selbsttätig ein Gleichgewichtszustand bei einer bestimmten optimalen Drehzahl der erfindungsgemäßen Maschine einstellen. In diesem Gleichgewichtszustand wird exakt soviel Luft in die Verdichterkammer eingesaugt werden, wie zu einer optimalen Verbrennung des jeweiligen Brennstoffs benötigt wird.

Indem zusätzlich die Austrittsdüsen der Brennkammer derart angeordnet sind, daß der aus ihnen austretende Gasstrahl ein Drehmoment um eine mit der Maschine verbundene Abtriebswelle ausübt, wird im Ergebnis eine weitere Verbesserung der Ausnutzung der in dem Gas gespeicherten chemischen Energie und damit einhergehend eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt. Dabei sollten die Düsen, um möglichst große Drehmomente zu erhalten, in möglichst großem Abstand zu der Welle angeordnet sein.

Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine läßt sich in einem hohen Drehzahlbereich betreiben, wobei eine möglichst hohe Drehzahl angestrebt wird, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Zudem wird die Strömungsenergie der Verbrennungsgase derart genutzt, daß ohne die Zwischenschaltung wegumleitender Elemente eine Rotation einer Abtriebswelle erhalten wird. Beides führt gemeinsam mit den geringen bei der radialen Verdichtung des Gases in der Verdichterkammer auftretenden Verlusten zu einer optimalen Ausnutzung der bei der Verbrennung des Gases freiwerdenden Energien.

Im Hinblick auf eine einfache Herstellbarkeit und eine kompakte Bauform sollte die Brennkammer vorzugsweise im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sein und das die Austrittsdüsen tragende Gehäuseelement die in Strömungsrichtung des Gases rückwärtige Stirnwand der Brennkammer bilden.

Bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine kann die Luftleiteinrichtung auf einfache Weise durch Leitbleche gebildet sein, die sich koaxial zur Längsachse der Verdichterkammer erstreckend an deren Innenfläche befestigt sind. Eine Drehung der Verdichterkammer bewirkt dann nach Art einer Zentrifuge die Verdichtung des durch die Einlassöffnung an der Stirnseite eingesaugten Gases auf der Innenfläche ihrer äußeren Wandung.

Alternativ zu der voranstehend erläuterten Anordnung von drehfest mit der Verdichterkammer verbundenen Luftleitblechen kann die Luftleiteinrichtung nach Art der Luftschaufeln eines Radialverdichters ausgebildet sein und über einen eigenen Antrieb verfügen.

Um die Leistung der erfindungsgemäßen Maschine auf einfache Weise an den jeweiligen Leistungsbedarf anpassen zu können, sollte die Größe der Einlassöffnung veränderbar sein. Zum gleichen Zweck sollte auch der Abstrahlwinkel der Austrittsdüsen vorzugsweise veränderbar ist.

Vorzugsweise sollte der Durchmesser der Verdichterkammer größer als der Durchmesser der Brennkammer. Auf diese Weise kann eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Gases bei dessen Eintritt in die Brennerkammer erreicht werden.

Je nach Art der Verwendung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine kann es günstig sein, die äußere Wandung der Brennkammer über die Austrittsdüsen hinaus zuverlängen.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer ein weiterer axial sich zur Längsachse der Brennkammer erstreckender Zylinderkörper derart angeordnet ist, daß der Brennraum der Brennkammer ringförmig ausgebildet ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Verbrennungskraftmaschine in einer schematischen, aufgebrochenen perspektivischen Ansicht;

Fig. 2 die Verbrennungskraftmaschine in einem Schnitt entlang der Linie I-I der Fig. 1;

Fig. 3 die Verbrennungskraftmaschine in einer frontalen Ansicht;

Fig. 4 die Verbrennungskraftmaschine in einer Ansicht von hinten.

Die in den Figuren gezeigte Verbrennungskraftmaschine 1 weist eine Verdichterkammer 2 auf, an die sich eine Brennkammer 3 anschließt. Die Verdichterkammer 2 und die Brennkammer 3 weisen eine zylinderförmige, längliche Form auf und sind miteinander drehfest verbunden. Gemeinsam sind sie zusätzlich drehfest mit einer Abtriebswelle 4 verkoppelt, die in Lagern 5, 6 gelagert ist.

In der Verdichterkammer 2 sind Luftleitbleche 7, 8 angeordnet, welche an der Innenfläche 9 der äußeren Wandung 10 der Verdichterkammer 2 befestigt sind und sich dort koaxial zur gemeinsamen Längsachse L erstrecken, die mit der Drehachse der Abtriebswelle 4 zusammenfällt.

Die Luftleitbleche 7, 8 weisen eine unterschiedliche Höhe H auf. So reichen die Luftleitbleche 7 bis zur Abtriebswelle 4, während die jeweils zwischen zwei Luftleitblechen 7 angeordneten Luftleitbleche 8 nur in den freien Raum zwischen diesen reichen.

Auf der Stirnfläche 11 der Verdichterkammer 2 ist konzentrisch eine kreisförmige Einlassöffnung 12 ausgebildet, deren freie Öffnungsfläche nach Art einer Irisblende veränderbar ist. Vor der Eintrittsöffnung 12 sind Einspritzdüsen 13 positioniert, über die Brennstoff in die in die Verdichterkammer 2 eingesaugt Luft einspritzbar ist.

Auf der rückwärtigen Stirnfläche 14 der Brennkammer 3 sind eine Vielzahl von Austrittsdüsen 15 ausgebildet, deren Austrittsöffnung 16 derart ausgerichtet ist, daß das aus ihnen austretende Verbrennungsgas ein Drehmoment um die Abtriebswelle 4 erzeugt. Dabei ist der Anstellwinkel β, unter dem das Gas ausströmt zur Regelung der der Verbrennungskraftmaschine 1 abnehmbaren Leistung veränderbar. Die Austrittsdüsen 15 sind zudem möglichs nah dem äußeren Rand 16 angeordnet, um ein möglichst großes Drehmoment zu erreichen.

Zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine 1 wird diese über die Abtriebswelle 4 mittels eines nicht gezeigten Anlassers in eine Drehung von möglichst hoher Drehzahl versetzt. Hierdurch wird eine Verdichtung der in der Verdichterkammer 2 enthaltenen Luft im Bereich von deren Innenfläche 9 unter gleichzeitigem Entstehend eines Unterdrucks in einem sich entlang der Abtriebswelle 4 erstreckenden Bereich der Verdichterkammer 2 bewirkt.

Verursacht durch die mit der Drehung der Verdichterkammer 2 einhergehenden Entstehung eines Unterdrucks im Bereich der Eintrittsöffnung 1 strömt von außerhalb der Verbrennungsmaschine 1 das aus Umgebungsluft und Treibstoff gebildete Gasgemisch in die Verdichterkammer 2 und wird dort, wie voranstehend erläutert, wieder in einer radial gerichteten Strömung verdichtet.

Das im Bereich der Innenfläche 9 der Verdichterkammer 2 verdichtete Gas strömt ungehindert in einer koaxial zur Abtriebswelle 4 gerichteten Strömung entlang der Innenfläche 9 durch eine weiter nicht gezeigte Verbindungsöffnung in die Brennkammer 3. Nachdem ein ausreichendes Gasvolumen in die Brennkammer 3 eingeströmt ist, wird dieses gezündet. Die bei der dann folgenden Verbrennung entstehenden Verbrennungsgase strömen aus den Austrittsdüsen 15 aus. Aufgrund der Ausrichtung der Austrittsdüsen 15 üben sie dabei ein Drehmoment auf die Abtriebswelle 4 aus.

Die auf diese Weise erzeugte Leistung dient nach dem Starten der Verbrennungskraftmaschine 1 zum einen dazu, die Drehbewegung der Verdichter- und Brennkammer 2, 3 aufrechtzuerhalten. Da hierzu jedoch nur geringe Kräfte erforderlich sind, kann mit dem verbleibenden Überschuß beispielsweise ein nachgeschalteter, nicht gezeigter Generator angetrieben werden.

Claims (11)

1. Verbrennungskraftmaschine mit einer um ihre Längsachse (L) drehbar gelagerten Verdichterkammer (2), in der ein in einer nachgeordneten, sich an die Verdichterkammer (2) anschließenden Brennkammer (3) zu verbrennendes Gas mittels einer sich koaxial zur Längsachse (L) der Verdich­ terkammer (2) erstreckenden, um diese mit der Verdichterkammer rotierenden und eine radiale Luftströmung erzeugenden Luftleiteinrichtung (7, 8) im Bereich der Innenfläche (9) der äußeren Wandungen (10) der Verdichterkammer (2) verdichtbar ist und welche auf ihrer frontseitigen Stirnfläche (12) mindestens eine Eintrittsöffnung (11) aufweist, deren größter Durchmesser kleiner ist als der kleinste Durchmesser der Stirnfläche (12), wobei das im Bereich der Innenfläche (9) der Verdichterkammer (2) verdichtete Gas entlang der Innenfläche (9) in die Brennkammer (3) einströmt und wobei die Brennkammer (3) mit Austrittsdüsen (15) ausgestattet ist, welche auf einem mit einer Abtriebswelle (4) drehfest verbundenen Gehäuseelement (14) derart angeordnet sind, daß das aus ihnen ausströmende Gas ein Drehmoment auf die Abtriebswelle (4) ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichterkammer (2) gemeinsam mit der Luftleiteinrichtung, der Brennkammer (3) und den Austrittsdüsen (15) drehfest mit der Abtriebswelle (4) verbunden ist.

2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (3) im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist und daß das die Austrittsdüsen (15) tragende Gehäuseelement die von der Verdichterkammer (2) abgewandte Stirnwand (14) der Brennkammer (3) bildet.

3. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleiteinrichtung durch Leitbleche (7, 8) gebildet sind, die sich koaxial zur Längsachse (L) der Verdichter­ kammer (2) erstreckend an deren Innenfläche (9) befestigt sind.

4. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleiteinrichtung nach Art der Luftschaufeln eines Radialverdichters ausgebildet ist und über einen eigenen Antrieb verfügt.

5. Verbrennungskraftmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Einlassöffnung (12) veränderbar ist.

6. Verbrennungskraftmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der freien Fläche der Eingangsöffnung (12) kleiner als die Summe der freien Flächen der Auslassdüsen (15) ist.

7. Verbrennungskraftmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstrahlwinkel (β) der Austrittsdüsen (15) veränderbar ist.

8. Verbrennungskraftmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüsen (15) im Bereich des äußeren Randes (16) des sie tragenden Gehäuseelements (14) angeordnet sind.

9. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Verdichterkammer (2) größer als der Durchmesser der Brennkammer (3) ist.

10. Verbrennungskraftmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wandung (10) der Brennkammer (3) über die Austrittsdüsen (15) hinaus verlängert ist.

11. Verbrennungskraftmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer (3) ein weiterer axial sich zur Längsachse der Brennkammer erstreckender Zylinderkörper derart angeordnet ist, daß der Brennraum der Brennkammer ringförmig ausgebildet ist.