DE19858905A1

DE19858905A1 - Hohlwellen Gasturbine

Info

Publication number: DE19858905A1
Application number: DE1998158905
Authority: DE
Inventors: Freitag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-12-19
Filing date: 1998-12-19
Publication date: 1999-08-19

Description

GATTUNG

Die Gattung dieser Erfindung, eine Hohlwellen Gasturbine (HWGT), ist eine interne Verbrennungskraftmaschine und kann zwischen Kolbenmotoren und Gasturbinen angeordnet werden.

Die HWGT dieser Erfindung teilt mit der Kolbenmaschine die separaten Arbeitsgänge und mit der Gasturbine die Rotationsfunktion.

Innerhalb dieser Gattung konzentriert sich die Erfindung auf folgende neue und wesentliche Teile:
einen Komposit Torusförmigen Zylinderblock mit zwei Zylindern,
eine Hohlwelle mit Übersetzungsgetriebe oder mit Schubstange,
zwei Spezialkolben mit Nocken,
zwei Drehschiebern mit Zylinderkopf Funktion,
zwei Wassereinspritzdüsen als Kühlung.

STAND DER TECHNIK

Gasturbinen mit hoher Rotationsgeschwindigkeit sind gut geeignet als Flugzeugantrieb, haben sich aber im Land- oder Seetransport nicht durchgesetzt.

Die reziproke Kolbenmaschine hat den Höhepunkt ihrer Entwicklung erreicht, jedoch ihr thermodynamischer Wirkungsgrad bleibt niedrig.

Rotationskraftmaschinen waren bis heute aus verschiedenen Gründen nicht erfolgreich, einer davon ist ihr komplizierter Mechanismus im Versuch die Luftverdichtung mit der Verbrennung in einem Maschinenbereich zu vereinen.
Siehe Offenlegungsschriften: 14 26 052-19 65 865 und 20 41 348.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hohlwellen Gasturbine zu entwickeln bei der die kinetische Energie der Treibgase tangential im vollen Drehmoment direkt auf die Triebwelle übertragen wird und gleichzeitig die Konstruktion der Maschine zu vereinfachen, die schweren Teile der Kolbenmaschine und die teuren Teile der Gasturbine auszuschalten. Kurz, eine einfachere und leichtere Maschine zu bauen.

LÖSUNG

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 6 gelöst.

WEITERE AUSGESTALTUNG DER ERFINDUNG

In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kommt es darauf an daß

1. der Totraum des Verdichtungszylinders klein gehalten wird,
2. der Brennraum kurz gehalten wird,
3. die rechtwinkligen Kolben- und Zylinderquerschnitte flach gehalten werden
4. Ventile mit Federdruck zum Schnellschluß ausgestattet werden,
5. der Luftdruck den wechselnden Betriebsbedingungen angepaßt wird,
6. zwei Kraftstoffeinspritzdüsen vorgesehen werden,
7. zwei Wassereinspritzdüsen vorgesehen werden.

ERZIELBARE VORTEILE

Der Gesamtwirkungsgrad einer oben dargestellten Hohlwellen Gasturbine wird wesentlich höher sein als der einer entsprechenden zweiachsigen Gasturbine oder der eines Kolbenmotors.

Der Wärmewirkungsgrad wird besonders hoch sein, weil die extrem langen Zylinder mit ihrer Wirbelwirkung für vollkommene Verbrennung sorgen und in der Abgasturbine zusätzliche kinetische Energie aus der Kühlwasser verdampfung gewonnen wird.

Der mechanische Wirkungsgrad wird ebenfalls hoch sein weil keine rezipro kalen Bewegungen und kein Seitendruck zwischen Zylinderwand und Kolben mit entsprechenden Reibungsverlusten zu erwarten sind.
Niedrige Umdrehungsgeschwindigkeit, ca. 100 bis 2000 rpm
Kompaktbau mit hohem Kraft/Gewicht Verhältnis
Automatische Drehmoment Multiplikation mit vereinfachter Gangschaltung
Geringe Vibration
Weiter Brennstoffbereich und gute Kaltstarteigenschaften
Guter Maschinenbremseffekt im Abwärtslauf
Gute Reaktion bei starker Beschleunigung.

Die Treibgase dieser Hohlwellen Gasturbine mit zwei Maschineneinheiten üben in einer Umdrehung ein volles Drehmoment mit 270 + 90 = 360 grad aus im Vergleich zu 60 grad eines Vierzylinder Kolbenmotors.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun als Beispiel eine Hohlwellen Doppel Gasturbine mit Übersetzungsgetriebe in Bezug auf dazugehörende Zeichnungen beschrieben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen:

Fig. 1 ist ein Querschnitt der Einzelteile eines Zylinderblocks mit Hohlwelle einer erfindungsgemäßen Gasturbine

Fig. 2 ist ein Querschnitt, wie Fig. 1, jedoch mit geschlossenem Zylinderblock, Rotoren und Durchlaßkanal

Fig. 3 ist eine Kombination von zwei Einheiten wie Fig. 2 wobei die Kolben zur Auswuchtung diametral entgegengesetzt angeordnet sind

Fig. 4 ist ein Querschnitt durch die Vorderseite einer Gasturbine mit dem Verdichtungsteil im Vordergrund

Fig. 5 ist ein Querschnitt wie Fig. 4, jedoch mit dem Verbrennungsteil im Vordergrund und mit dem Verdichtungskolben im Abseits

Fig. 6 ist ein Querschnitt wie Fig. 4 und 5, jedoch mit Einspritzdüsen, Fühler und Glühkerze im Vordergrund und mit beiden Kolben im Abseits

Fig. 7a bis 7c sind Einzelansichten des Verdichtungskolbens gemäß der Erfindung

Fig. 8a bis 8c sind Einzelansichten des Verbrennungskolbens gemäß der Erfindung

Fig. 9a bis 9b sind Einzelansichten des erfindungsgemäßen drehbaren Schiebers

Fig. 10a bis 10d sind Einzelansichten der Koordination zwischen Nocke, Schieber, Ventil und Einspritzdüse beim Durchgang des Verbrennungskolbens durch den oberen Totpunkt

Fig. 11 beschreibt grafisch den Druck der auf den Verbrennungs kolben während einer Umdrehung ausgeübt wird

Fig. 12 beschreibt grafisch die Temperaturentwicklung innerhalb des Verbrennungszylinders wie unter Fig. 11.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL MIT BEZUG AUF DIE ZEICHNUNGEN

In dieser Ausführung der Erfindung, eine Hohlwellen Gasturbine mit zwei Zylindern, einem für Kompression und einem für Verbrennung hat einen Zylinderblock (02) mit einem Zentralteil (211) zwischen Rotoren (03) und Seitenteilen (212) daneben.

Der Komposit Zylinderblock und die Rotoren werden durch Schraubverbindungen (29) zusammengehalten.

Die Rotoren (03) sind kraftschlüssig mit einer Hohlwelle (01) verbunden. In diese Hohlwelle wird ein Übersetzungsgetriebe (11) mit Randzahnrad (111) und tiefliegender Antriebswelle dort vorgesehen und sie wird auch als Ölwanne benutzt.

Jeder Rotor hat die Form eines Radfelgens mit einer Serie von konzentrischen Fugen an der Felgenseite (32) denen entsprechende Fugen auf der Zylinderseite gegenüber stehen.

Dichtungsringe (321), ähnlich Kolbenringen, sind in die Ringfugen eingelassen.

O-Ringe oder Gasdichtungen sind auch möglich.

Die Ausführung ist so, daß eine starke doch elastische Dichtung zwischen Rotoren und Zylinderblock geschaffen wird.

Jeder Rotor hat an seiner Peripherie einen Kolben (33 oder 34) der sich in einem kreisförmigen unbegrenzten Zylinder (22) bewegt.

Der Kolben befindet sich also in einem kontinuierlichen unbegrenztem Kreislauf.

Die Kolbengeschwindigkeit bei 1800 rpm und einem Rotordurchmesser von 300 mm ist 30m/sec. Daraus folgt daß Schieber- und Ventilbewegungen in Millisekunden ausgeführt werden und daß die Einspritzdüsen durch ein Computer gesteuertes System mit Solenoid geregelt werden.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist der Kolbenquerschnitt rechteckig mit stark abgerundeten Ecken und in einem Höhen/Seitenverhältnis von 1 : 2,4.

Es ist wichtig die Höhe des Kolbens so niedrig wie möglich zu halten, um dadurch auch mit der Nockenlänge die passiven Durchgangsphasen kurz zu halten.

Der Kompressionskolben (33) besteht aus einer flachen Stahlplatte mit selbstschmierenden Plastikeinsätzen an der Peripherie. Dieser Kolben komprimiert Luft an seiner Vorderseite und saugt gleichzeitig Frischluft mit seiner Rückseite an.

Der Verbrennungskolben (34) ist dauernd hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt und hat daher eine stark konkave Form mit mehr tangentialer als radialer Wärmeausdehnung. Er wird von den Verbrennungsgasen getrieben und schiebt gleichzeitig die Abgase des vorigen Umlaufs mit seiner Vorderseite aus dem Zylinder.

Um die Gasturbine sowohl statisch als auch dynamisch möglichst im Gleichgewicht zu halten, werden zwei Einheiten zu einer Maschine zusammenmontiert mit den Kolbenpaaren (33-33 und 34-34) in diametral entgegengesetzten Positionen angeordnet, siehe Fig. 3.

Die Schieber (26, 27 und 28) sind drehbar in und aus dem Zylinder angeordnet, so daß sie innerhalb des Zylinders einen Zylinderkopf bilden und außerhalb den Durchgang des Kolbens frei geben. Die Schieber werden durch eine Torsionsfeder (46) in Innenposition gebracht und gehalten bis sie die Nocke des Kolbens nach außen drückt.

Schieber (28) bildet einen Schild um die Abgase in das Auspuffrohr zu leiten. Schieber (27 und 28) sind dicht nebeneinander angeordnet um den unproduktiven Anteil des Zyklus so niedrig wie möglich zu halten.

Unmittelbar angrenzend an Schieber (27), in Drehrichtung des Kolbens (34) liegt die Druckluftöffnung (24A) die durch ein a-symetrisches Schmetterlingsventil (241), das durch eine Torsionsfeder mit einem vorgegebenen Druck dicht gehalten wird. Der geschlossene Zustand wird durch eine gefederte Kugelsperre (47) unterstützt um gegen den stärker werdenden Kompressionsdruck von Kolben (33) das Ventil geschlossen zu halten bis Kolben (34) die Einlaßöffnung passiert hat. Nachdem Kolben (34) den oberen Totpunkt passiert hat schließt Schieber (27) und Ventil (241) öffnet und Kraftstoff wird über Düse (41) eingespritzt, siehe Fig. 10a bis 10d.

Ungefähr 45 grad abseits von Schieber (27) liegt eine Glühkerze (44) und eine zweite Benzineinspritzdüse (411) um eine reiche Mischung kurz vor der Zündung zu sichern, was im Leerlauf und bei starker Beschleunigung wichtig ist.

Dicht neben Schieber (27) und Ventil (241) liegt eine Wassereinspritzdüse (43) und kurz vor dem Abgasrohr mit Schieber (28) liegt eine zweite Wasserein spritzdüse (431) und gleich daneben Fühler (45) Richtungsschieber (28) liegt kurz vor Schieber (27) = Zylinderkopf A.

Damit sind die kraftneutralen Funktionen einer Umdrehung auf etwa 40 grad begrenzt und nach weiteren neutralen 50 grad für die Verbrennungskammer bleiben 270 grad für nützliche Arbeit im vollen Drehmoment.

Die Benzineinspritzdüsen (41 und 411) und die Wassereinspritzdüsen sind an geeignete Pumpen und Filter angeschlossen und mit Einlaßzeiten zwischen 0.8 und 2.0 Millisekunden elektronisch gesteuert und mit Solenoid ausgeführt.

Letztlich, die Kolben (33 und 34) sind mit Nocken (331 und 341) versehen, die geeignet sind um die Schieber gegen deren Federdruck zu bewegen, für den Kolbendurchgang zu öffnen und sie danach wieder gleitend schließen zu lassen.

In der folgenden Beschreibung eines Kolbenumlaufs sind beide Kolben (33-34) gleichwinklich parallel angeordnet, siehe Fig. 6 Kolben = 180 grad.

Die Druckwerte, = p in bar und die Temperaturwerte, = t in grad C, sind Schätzwerte und aus didaktischen Gründen eingesetzt.
GRAD = Winkelposition der Kolben
0 = 360 Kolben (33) p = 8 t = 90 preßt Luft durch Rohr (24) mit Ventil (241) offen und Düse (41) aktiv Kolben (34) p = 7 t = 220
25 Kolben (33) p = 10-0 t = 100-30 erreicht und öffnet Rohr (24) Luftstrom wird umgekehrt, Ventil (241) schließt, Düse (411) aktiv Kolben (34) p = 9 t = 200
30 Kolben (33) p = 0 t = 30 öffnet Schieber (26), komprimierte Luft aus Totraum (221) fließt zurück in Zylinder (22) und expandiert Kolben (34) p = 80 t = 900 passiert Glühkerze (44) Luft/Brenn stoffgemisch zündet, der Arbeitstakt beginnt
90 Kolben (33) p = 3 t = 60 öffnet Druckventil (42), Luft fließt zurück, Ventil 231 schließt Kolben (34) p = 60 t = 800
180 Kolben (33) p = 4 t = 80 Kolben (34) p = 40 t = 600
270 Kolben (33) p = 6 t = 100 Kolben (34) p = 50 t = 300 Wassereinspritzung mit Düsen (43 und 431) aktiv
300 Kolben (33) p = 7 t = 110 Kolben (34) p = 2 t = 280 erreicht (25) und öffnet (28) Arbeitstakt endet
330 Kolben (33) p = 5 t = 90 Ventil (241) offen, Düse 41 aktiv Kolben (34) p = 5 t = 260
Aus obiger Beschreibung ist zu ersehen, daß eine einzelne Hohlwellen gasturbine in einer Umdrehung 75% nützliche Arbeit leistet und daß demnach zwei Einheiten, siehe Fig. 3, über die volle Umdrehung aktiv werden.

Es ist ferner ersichtlich, daß die beiden Kolben (34-34), die mit 180 grad Phasenverschiebung arbeiten eine ausgleichende Wirkung auf die Kraftentwicklung haben und daß ihr Drehmoment über die volle Umdrehung maximal bleibt. Der Abgasfluß ist auch gleichförmig.

Der Druckeffekt der Wassereinspritzung wird in Fig. 11 gezeigt, jedoch wichtiger ist ihre Kühlwirkung Fig. 12, die eine konventionale Flüssigkeitskühlung (29) ersetzen und Computer gesteuert die Zylindertemperatur unter allen Arbeitsbedingungen im optimalen Bereich halten kann.

Es ist verständlich, daß viele Varianten zur oben beschriebenen Erfindung einer Hohlwellen Gasturbine gemacht werden können ohne von dem Erfindungsbereich abzuweichen.

EMPFOHLENE WERKSTOFFE

Hohlwelle	Stahlguß
Zylinderblock	Grauguß oder Aluminium Legierung z. B. 355.0
Rotoren	Grauguß mit dreifach verchromten und polierten Rotorfelgen
Kolben	HSLA
Nocken	HSLA mit Molybdenium Einlagen
Schieber und Ventile	Austenitische Verbindungen mit hohem CR Anteil
Torsionsfedern	Chromvanadium
Auspuffrohr	Rostfreier Stahl
DICHTUNGEN in:@	Kompressor	selbstschmiedender Kunststoff
Verbrennung	Kupfereinlage mit Bleigehalt

NOMENKLATUR DER ZEICHNUNGEN Bezugszeichenliste

01

HOHLWELLE mit

11

Übersetzungsgetriebe mit

111

Außenzahnkranz

112

Getriebewelle

12

Zentrale Schubstange

13

Achslager

14

Dichtung zum Zylinderblock

02

ZYLINDRIERBLOCK mit

21

Ringzylinder mit

211

Zentraleinheit

212

zwei Seitenteilen

213

Kühlwasserkanal

214

Zylinderbolzen

215

Dichtungsringe und Nuten

22

Zylinderinnenraum

221

oberer Totraum

23

Einlaßöffnung und

231

Ventil (P)

24

Rohr = Durchlaßkanal mit Öffnungen und

241

Ventil (A)

25

Auspufföffnung

26

Schieber (P)

27

Schieber(A)

28

Schieber (X) = Auspuffabweiser

29

Wellendichtung

03

ROTOR mit

31

Außenring, Felge

32

Dichtungsnuten

321

Ringe

33

Kolben (P)

331

Nockenaufsatz

332

Versteifungsbrücke

34

Kolben (A)

341

Nockenaufsatz

342

Versteifungsbrücke

04

VERSCHIEDENES

41

Brennstoff Einspritzdüse

411

Zweite Brennstoff Einspritzdüse

42

Druckventil mit

421

Rückflußrohr

422

Hydraulik Zylinder

43

Wasser Einspritzdüse

431

Zweite Wasser Einspritzdüse

44

Glühkerze

45

Fühler, Thermostat

46

Torsionsfeder

47

Kugelsperre

48

Dichtungseinlagen in Schiebern und Zylinderwänden

49

Ölbohrungen mit

491

Ölkeil

Claims

1. Eine Hohlwellen Gasturbine mit dreiteiligem kreisförmigem Zylinder block mit zwei Zylindern, einem für Kompression und einem für Verbrennung,
und einer Hohlwelle mit Untersetzungsgetriebe;
und zwei Spezialkolben mit Nockenaufsatz;
und zwei Drehschiebern mit der Funktion eines Zylinderkopfes,
dadurch gekennzeichnet daß die Treibgase im Verbrennungszylinder gegen den an der Peripherie der Hohlwelle angeordneten Kolben drücken und so das volle Drehmoment übertragen wobei der Gegendruck durch drehbare im Zylinder gelagerte Schieber aufgefangen wird.

2. Eine Hohlwellen Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zylinder durch ein Rohr verbunden sind um in bestimmten Kolbenpositionen komprimierte Luft vom Verdichtungszylinder in den Brennraum zu leiten und daß der Luftdruck den jeweiligen Arbeitsbedingungen entsprechend durch ein verstellbares Druckventil mit Rückleitungsrohr zum Verdichtungszylinder geregelt wird.

3. Eine Hohlwellen Gasturbine nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle über eine Innenverzahnung mit der Antriebswelle kraftschlüssig verbunden ist und gleichzeitig über eine Außenverzahnung mit einer Abgasturbine ebenfalls kraftschlüssig verbunden ist und daß bei Direktantrieb: Hohlwelle = Antriebswelle z. B. für Hubschrauber oder Wasserfahrzeuge, eine Schubstange durch die Hohlwelle geführt wird um die Anstellung eines Verstellpropellers zu regeln, ferner daß die Hohlwelle als Ölwanne benutzt wird.

4. Eine Hohlwellen Gasturbine nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschieber durch Torsionsfedern gegen den Rotorfelgen und gegen Einschnitte in der Zylinderwand gedrückt werden wobei Dichtungseinlagen gerade bei hohem Druck für gasdichten Verschluß sorgen, daß der Drehschieber im Verbrennungszylinder mit Ölbohrungen ausgestattet ist und einen Ölkeil zum drehenden Rotorfelgen bildet und auch für die Schmierung des Kolbens sorgt.

5. Eine Hohlwellen Gasturbine nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kolben funktionsmäßig gestaltet sind, der Druckluftkolben als gebogene Stahlplatte mit selbstschmierender Kunststoffdichtung an der Peripherie und der Verbrennungskolben in Schaufelform, beide Kolben haben eine Nockenauflage zum Bewegen der Drehschieber und sind im Querschnitt rechtwinklich mit abgerundeten Ecken ausgebildet.

6. Eine Hohlwellen Gasturbine nach Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasser- oder Luftkühlung des Zylinders durch Wassereinspritzung in den Verbrennungszylinder unterstützt wird und daß der Dampfgehalt der Abgase in der Auspuffanlage kondensiert, gefiltert, und zurückgepumpt wird und daß die Einspritzdüsen für das Kühlwasser und für den Treibstoff mit elektronischer Regelung über Solenoid aktiviert werden.