DE2739129C2

DE2739129C2 - Freikolben-Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2739129C2
Application number: DE2739129A
Authority: DE
Inventors: Eduard 6830 Schwetzingen Köllner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-08-31
Filing date: 1977-08-31
Publication date: 1981-12-17
Also published as: DE2739129A1

Description

durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

e) die Kolbenstange ist als ein den Freikolben (20) durchdringender, an beiden Seiten des Freikolbens (20) angeordnete Steueröffnungen (24a, 24b) zur Zufuhr des Brennstoff-Luft-Gemisches zu den Brennräumen (34a, 34b) aufweisender, rohrförmiger Steuerschieber (23) ausgebildet;

f) der Zylinder (33) ist an seinen ringförmigen Stirnwänden (33a, 33b) mit einer ersten, an ihrem freien Ende geschlossenen (3IaJ und einer zweiten, beidseitig ofienen Führungsbüchse (31b) verbunden, wobei die Innenseite der Führungsbüchsen (31 a, 3 J^) zur axial verschieblichen Lagerung des Steuerschiebers (23) dient und wobei die Führungsbüchsen (31a, 3ib) an ihrer Außenseite, durch in einem Gehäuse (5) befestigte Lager (30), um die Längsachse (X) drehbar und axial verschieblich gelagert sind;

g) der Düsenkranz (38) ist die Treibdüse eines Ejektors zum Ansaugen von Kühlluft von beiden Seiten des Düsenkranzes (38), wobei ringförmige, am inneren Durchmesser des Gasturbinenlaufrades (2) beidseitig befestigte Deckmäntel (36) mit der Außenseite des Zylinders (33) Ansaugkanäle (35a) bilden und wobei die Deckmäntel (36) mit dem Zylinder (33) über als Gebläseschaufeln geformte Kühlrippen (35) verbunden sind;

h) der Steuerschieber (23) weist an seiner, in der zweiten Führungsbüchse (31 ty gelagerten Seite, eine rohrförmige Verlängerung (23a) auf, in deren Inneres ein mit einer Einspritzdüse (10) für Brennstoff (14) und mit einem Düsenkörper (11) zur Regelung des Durchsatzes der Luft (16) ausgerüsteter Ansaugtrichter (9), der mit dem Gehäuse (5) fest verbunden ist, teleskopartig hineinragt und an deren Außenseite ringförmige Ausgleichsgewichte (27a) unterschiedlicher Masse befestigbar sind;

i) die zweite Führungsbüchse (3Ib) weist eine rohrförmige Verlängerung (3IcJ auf, die einen periodisch erregbaren Elektromagneten (25) zum aufschaukelnden Anschieben des Freikolbens (20), während des Startvorgangs trägt;

k) eine Kraftübertragung vom Zylinder (33) auf

eine Abtriebswelle (42) mittels einer die Schwingweite (± A)des Zylinders (33) progressiv dämpfenden, luftgekühlten Kupplung (44 bis 48).

2. Freikolben-Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Freikolben (20) sich konisch verjüngende Stirnseiten (21a, 21 b) aufweist und die Stirnwände (33a, 33b)des Zylinders (33) ebenfalls konisch verlaufen.

3. Freikolben-Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (44 bis 48) eine mit der ersten Führungsbüchse (3IaJ fest verbundene Kupplungsscheibe (47) aufweist, die als Radialverdichterlaufrad (48) zur Förderung von Kühlluft (18) durch die Kupplung (44 bis 48) ausgebildet ist.

Aus der DE-PS 5 40 !75 ist eine Freikolber.-Gasturbinenanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt

Diese Erfindung hatte sich die Aufgabe gestellt, eine Freikolben-Gasturbinenanlage zu schaffen, bei welcher mit einfachen Mitteln der Brennstoffverbrauch entsprechend der Belastung geregelt werden kann, ferner Ventile, weiche mit den heißen Verbrennungsgasen in

Berührung kommen, vollständig vermieden werden und

ein nutzloses Entspannen der Frischgase nach der

Verdichtung sowie der Verbrennungsphase nach der Zündung, möglichst nicht eintreten kann. Diese Aufgabe wurde durch eine Freikolben-Gastur-

binenanlage mit einem frei fliegenden, konzentrisch zum Laufrad angeordnetem Freikolben, welcher durch zwei Hilfskolben in einem feststehenden Zylinder hin und her bewegt wird, gelöst Dabei ist kennzeichnend, daß der Freikolben zwei geschlossene Kammern besitzt, in welche das von dem FreikoRen angesaugte und verdichtete Gasgemisch eingeführt wird, worauf die Kammern durch die Bewegung des Freikolbens zur Zündstelle und nach erfolgter Verbrennung des Gemisches zu den zum Gasturbinenlaufrad führenden Ausströmöffnungen bewegt wird, wobei das Eintreten und das Entzünden der Frischgase sowie das Austreten der verbrannten Gase, durch die am Kolbenumfang angeordneten öffnungen erfolgt. Diese Erfindung weist folgende Nachteile auf:

so Die Verbrennung der Gasgemische, einerseits in den Kammern des Freikolbens, andererseits in den zwei Brennräumen der Hilfskolben, erfolgt bei einem konstruktiv festgelegten Verdichtungsverhältnis mittels einer gesteuerten Fremdzündung. Eine Verbrennung von verschiedenartigen Brennstoffen, für welche verschieden große Verdichtungsverhältnisse und Zündtemperaturen notwendig sind, ist nicht möglich.

Die Wärme des Kühlwassers für den Freikolben geht für die Nutzung zur Erzeugung von rotierenden Abtrieb

μ verloren.

Für den Antrieb nur eines Gasturbinenlaufrades wird ein aus zwei Kammern bestehender Freikolben, dazu zwei Hilfskolben, vier gesteuerte und sechs ungesteuerte Ventile, vier Zündkerzen, sowie eine umfangreiche Steuerung erforderlich. Damit ergibt sich ein komplizierter und störungsanfälligcr Aufbau der Freikolben-Gasturbinenanlage.

Der hin- und herschwingende Freikolben und seine

Hilfskolben besitzen keinen Massenausgleich. Dadurch wird ein erschütterungsreicher Betrieb verursacht

Für den direkten Antrieb von Maschinen, ist der mittig auf dem zylindrischen Gehäuse drehbar gelagerte Flansch, ungünstig angeordnet s

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Freikolben-Gasturbinenarilage der oben beschriebenen Gattung derart weiterzubilden, daß sie zur Beherrschung der latenten Energiekrise, zur wahlweisen Verbrennung von verschiedenartigen Brennstoffen wie: to Gase, öle, Benzine oder anderen brennbaren Flüssigkeiten, Emulsionen und bedingt auch staubförmigen Brennstoffen geeignet ist und daß eine kompakte und einfach aufgebaute Anlage zur direkten Erzeugung von rotierenden Abtrieb, bei Einhaltung eines großen thermischen Wirkungsgrades, entsteht Dazu muß die jeweils zu verbrennende Art des Brennstoffes mit großem Luftüberschuß aufbereitet werden. Dieser ermöglicht dann, im angepaßten Zusammenspiel mit einem variablen Verdichtungsverhältnis, höhere Zündtemperaturen und Verdichtungsdrücke wie bisher in einer Kolben-Brennkraftmaschine möglich gewesen.

In diesem Zusammenhang zeigt das Teinperatur-Entropie-Diagramm, daß die Größe des thermischen Wirkungsgrades einer Kolben-Brennkraftmaschine, außer durch die Größe ihres Verdichtungsverhältnisses, auch noch durch die Einhaltung einer Gleichraumverbrennung maßgebend bestimmt wird. Deshalb muß die erfindungsgemäße Freikolben-Gasturbinenanlage eo ausgebildet werden, daß die durch eine unmttelbare Selbstzündung eingeleitete Verbrennung eine Gleichraumverbrennung ist

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichenden Merkmale des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 und 3.

Nachstehend wird der Aufbau und die Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Längsansicht (Schnitt: C-D) einer erfindungsgemäßen Freikolben-Gasturbinenanlage,

F i g. 2 einen Schnitt A-Bder F i g. 1,

F i g. 3 einen Ausschnitt der F i g. 1 in vergrößertem Maßstab.

Nach F i g. 1 sitzt auf einer Freikolben-Brennkraftmaschine 1 ein hohles Gasturbinenlaufrad 2 mittig fest auf. Beide werden von einem auf einem Fundament 3 über Puffer 4 verlagerten Gehäuse 5 umschlossen. Dieses wird einerseits von einer Anzahl von Kühlluftöffnungen 6, welche zu einem Radialverdichterlaufrad 48 führen, sowie andererseits von zwei Reihen zur Freikolben-Brennkraftmaschine 1 führenden Kühlluftöffnungen 7 durchbrochen. Außerdem erweitert sich das Gehäuse 5 über dem Gasfjrbinenlaufrad 2, in der Ebene der Hochachse Y, zu einer spiralförmigen Abgasleitung 3.

Das rechte Ende des Gehäuses 5 wird durch einen Ansaugtrichter 9 abgeschlossen. In diesem ist eine, in den Richtungen a und 6 auf der Längsachse X verschiebbare Einspritzdüse 10, welche von einem aerodynamisch geformten Düsenkörper 11 umhüllt wird, angeordnet. Die Einspritzdüse 10 steht mit einer Aufbereitungsanlage 12 in Verbindung.

Die jeweils gewünschte Abtriebsleistung N wird über einen Leistungshebel 13 vorgewählt Die Aufbereitungsanlage 12 ist an einen Behälter für Brennstoff 14 angeschlossen und kann außerdem für Sonderfälle mit einem Behälter für Kühistoff 15 verbunden werden.

Ein doppelt wirkender Freikolben 20 ist mit sich konisch verjüngenden Stirnseiten 2Ja und 21b ausgebildet Die Funktion seiner Kolbenstange übernimm« ein den Freikolben 20 durchdringender, rohrförmiger Steuerschieber 23. In diesem sind, zu beiden Seiten des Freikolbens 20, Steueröffnungen 24a und 246 zur Zufuhr eines Brennstoff-Luft-Gemisches 14 und 16 zu den Brennräumen 34a und 346, angeordnet Außerdem weist der rohrförmige Steuerschieber 23 auf der Seite der Einspritzdüse 10 eine rohrförmige Verlängerung 23a auf. In deren Innenseite ragt der Ansaugtrichter 9 für Luft 16, teleskopartig gleitend, hinein. Auf einer nachfolgend noch näher beschriebenen Führungsbüchse 31c sitzt ein Elektromagnet 25 fest auf. Dieser wird durch einen im Gehäuse 5 befestigten Induktor 26, welcher mit einer elektrischen Steuerung 28 und einer elektrischen Hilfseinrichtung 29 in Verbindung steht beaufschlagt Auf der Außenseite der vorgehend beschriebenen, rohrförmigen Verlängerung 23a ist ein ringförmiges Ausgleichsgewicht 27, welches eine wahlweise veränderbare Masse besiv.*, angeordnet Diese Masse bestehi aus kalibrierten, ringförmigen Teiigewichten 27a, oder aus Schwermetallgranulat

Der doppelt wirkende Freikolben 20 unterteilt den Innenraum eines Zylinders 33 in zwei Brennräume 34a und 346. Der Zylinder 33 verjüngt sich konisch, über seine ringförmige Stirnwand 33a, zu einer an ihrem äußerem Ende geschlossenen Führungsbüchse 31a. Seine ringförmige Stirnwand 336 dagegen verjüngt sich konisch in eine beidseitig offene Fuhmngsbüchse 316. Die Innenseite dieser Führungsbüchsen 31a und 316 dient zur in Richtung a und 6 auf der Längsachse X verschiebbaren Lagerung des rohrförmigen Steuerschiebers 23. Dagegen wird die Außenseite der Führungsbüchsen 31a und 316 von im Gehäuse 5 fixierten Lagern 30 getragen.

Diese Lagerung ist konstruktiv so gestaltet daß der Zylinder 33 in Längsrichtung a und 6 auf der Längsachse X frei hin- und herschwingen und dabei gleichzeitig ungehindert um die Längsachse X in Richtung des rotierenden Abtriebes R rotieren kann.

Die Brennräume 34a und 346 werden durch Innenkolbenringe 32 und durch die Außenkolbenringe 19 abgedichtet Letztere dienen zusätzlich als Abstreifer mit einem Keilwinkel β (siehe auch F i g. 3).

Der von den Führungsbüchsen 31a und 316 geführte, rohrförmige Steuerschieber 23, ist so biegesteif ausgebildet, daß seine durch Fliehkräfte C bedingte Durchbiegung /kleiner als das Freikolbenspiel sk ist

Die Außenseite des Zylinders 33 ist mit als Gebläseschaufeln geformten Kühlrippen 35 bestückt.

Diese werden durch Deckmäntel 36, welche Ansaugkanäle 35a für Kühlluft 17 bilden, nach außen abgeschlossen. Über eine mittig zwischen den Brennräumen 34a und 346 im Zylinder 33 angeordnete Reihe von Ausströmöffnungen 37 für aufgeheizte Gase 22, sitzt ein Düsenkranz 38 als Treibdüse für einen Ejektor, fest auf.

Die beiden Deckmäntel 36, welche als Nabe des hohlen Gaslurbinenlaufrades 2 ausgebildet sind, verjüngen sich in der Ebene der Hochachse Y zu einem ringförmigen Ejektor-Mischraum 39 (siehe auch F i g. 2). In dem hohlen Gasturbinenlaufrad 2 ist eine Anzahl vor als Glühkörper wirkenden Leitschaufeln 40 befestigt

Den Abschluß C¹^s Umfanges des hohlen Gasturbinenlaufrades 2 bildet eine Anzahl von Ausströmdüsen 41. Ihre Ausströmrichtung 5 ist um den Düsenstrahlablenkungswinkel α von der Tangente T, zum Zentrum O hin

versetzt, angeordnet.

Eine Abtriebswelle 42 wird von im Gehäuse 5 angeordneten Lager 43 getragen. Die Abtriebswelle 42 dient zur Aufnahme eines Kupplungsgehauses 44, in welchem zwei Reihen von ringförmigen, elastischen Kupplungsringen 45a und 45b fixiert sind. Diese sind mit je einem ringförmigen Kupplungsnocken 46a und 46b kraftschliissig verbunden. Diese Kupplungsnockcn 46a und 46b sind beidseitig, einer auf der geschlossenen Führungsbiichse 31a festaufsitzenden Kupplungsscheibe 47, befestigt.

Letztere ist als Radialverdichterlaufrad 48 ausgebildet, welches eine spiralförmige Sammelleitung 49 mit aufgeheizter Kühlluft 18 beaufschlagt.

Die Aufbereitungsanlage 12, die elektrische Steuerung 28 und die Lager 30 und 43 sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Deshalb wird deren Aufbau und Wirkungsweise nachfolgend auch nicht naher beschrieben.

Wirkungsweise
Anlaßvorgang der Freikolben-Gasturbinenanlagc

Durch Einschalten der elektrischen Steuerung 28 wird über den Induktor 26 der Elektromagnet 25 aktiviert. Das sich dadurch bildende elektromagnetische Feld beschleunigt dann die Masse m 1 des als Magnetkern wirkenden Freikolbens 20 und den fest mit ihm verbundenen, rohrförmigen Steuerschieber 23 mit dem Ausgleichgewicht 27, beispielsweise in Richtung b.

Als Reaktion dazu wird die Masse ml des Zylinders 33 mit dem hohlen Gasturbinenlaufrad 2, dem Elektromagneten 25 und der Kupplungsscheibe 47, in Richtung a beschleunigt. Dadurch wird die im Brennraum 346 eingeschlossene Luft 16 so lange verdichtet, bis die kinetische Energie der so gegeneinander beschleunigten Massen m\ und m2 in dem sich dabei bildenden Verdichtungsdruck völlig als potentielle Energie gespeichert ist.

Dann polt die elektrische Steuerung 28 die Wirkungsrichtung des durch den Elektromagneten 25 erzeugten elektromagnetischen Feldes um.

Daraufhin beginnt sich die im Brennraum 34£> verdichtete Luft 16 zu entspannen. Die in ihrem Verdichtungsdruck gespeicherte potentielle Energie wandelt sich in der Entspannungsphase wieder in kinetische Energie um, welche um den durch den Elektromagneten 25 neu eingeleiteten Impuls verstärkt wird.

Die derart verstärkte kinetische Energie beschleunigt dann die Masse m 1 in Richtung a und die Masse m 2 in Richtung b.

Dann polt die elektrische Steuerung 28 fortlaufend und mit sich steigender Frequenz die Wirkungsrichtung des Elektromagneten 25 um. Dadurch wird der jeweils gebildete Verdichtungsdruck größer wie der vorgehend erzeugte.

Dieses «resonanzartige Aufschaukeln« wird so lange fortgesetzt, bis die zur Selbstzündung der jeweils verwendeten Art des Brennstoffes 14 notwendige Verdichtungstemperatur in dem in den Brennräumen 34a und 34b gebildeten Verdichtungsdruck gewährleistet ist.

Nach diesem Zeitpunkt setzt die elektrische Steuerung 28 die Aufbereitjngsanlage 12 in Betrieb. Ihre erste Aufgabe besteht darin, der Einspritzdüse ίθ die für den Betrieb der Freikolben-Gasturbinenanlage notwendige Menge an Brennstoff 14 zuzuteilen. Diese bildet.

zusammen mit der dem Ansaugtrichter 9 zuströmenden Luft 16, ein Brennstoff-Luft-Gemisch 14und 16.

Eine weitere Aufgabe der Aufbereitungsanlage 12 besteht in der Zuteilung der für die Verbrennung von verschiedenartigen Brennstoffen 14 benötigte, verschieden großen Mengen an Luft 16. Dieses wird durch eine Veränderung der Größe des Ansaugquerschnittes im Ansaugtrichter 9, mittels einer gesteuerten, axialen Verschiebung des Düsenkörpers 11 in Richtung a oder b

ίο erreicht.

Das so aufbereitete Brennstoff-Luft-Gemisch 14 und 16 gelangt dann durch den rohrförmigen Steuerschieber 23, beispielsweise über die gerade zur Zeit offenen .Steueröffnungen 24a, in den Brennraum 34a. Dabei wird der Freikolben 20 von Innen gekühlt und das Brennstoff-Luft-Gemisch 14 und 16 dadurch gleichzeitig vorgewärmt.

Der vorher im Brennraum 34b erzeugte Verdichtungsdruck beschleunigt dann den Freikolben 20 mit dem rohrförmigen Steuerschieber 23 in Richtung a.

Auf diesem Weg verschließt der Frcikolben 20 mit der Außenkante seiner sich konisch verjüngenden Stirnseite 21a zuerst die Ausströmöffnungen 37 im Zylinder 33 und dann, durch die Führungsbüchse 3la, die .Steueröffnungen 24a im rohrförmigen Steuerschieber 23.

Die in den Massen ml und m2 gespeicherte kinetische Energie beginnt nun, durch ihre Umwandlung in potentielle Energie, das im Brennraum 34a einge-

jo schlossene Brennstoff-Luft-Gemisch 14 und 16 zu verdichten. Seine Verbrennung erfolgt dann durch eine unmittelbare Selbstzündung, ohne Verwendung von Hilfseinrichtungen.

Dazu ist die Größe des Ausgleichsgewichtes 27 wahlweise so bemeßbar, daß die in der Masse m 1 speicherbare kinetische Energie, ihre Umwandlung in potentielle Energie, erst nach Beendigung der Verbrennungsphase, bei Aufrechterhaltung eines Gleichraumes der verbrennenden Gase 22, abgeschlossen hat.

Diese bei maximalen Verdichtungsverhältnissen und großem Luftüberschuß stattfindende Gleichraumverbrennung gewährleistet einen maximal großen thermischen Wirkungsgrad und eine giftarme Verbrennung.
Die so im Brennraum 34a aufgeheizten Gase 22 entspannen sich dann und beschleunigen den Freikolben 20 mit dem rohrförmigen Steuerschieber 23 in Richtung b, wodurch die Verdichtungsphase im Brennraum 346 eingeleitet wird. Dann öffnet der Freikolben 20 mit der Außenkante seiner sich konisch verjüngenden Stirnseite 21a zuerst die Ausströmöffnungen 37, durch welche die im Brennraum 34a aufgeheizten Gase 22, über den Düsenkranz 38. in das hohle Gasturbinenlaufrad 2 geleitet werden (siehe auch Fig.2). In diesem werden die aufgeheizten Gase 22 durch Leitschaufeln 40 in annähernd tangential gerichtete Ausströmdüsen 41 umgeleitet, aus welchen sie dann mit dem Sekundärimpuls 5, bei Erzeugung von rotierenden Abtrieb R, ausströmen. Zwischenzeitlich hat der Freikolben 20 auf seinem Weg in Richtung b seinen variablen Hub + H durchlaufen und seinen variablen Umkehrpunkt Ub erreicht Dabei wurden die Steueröffnungen 24a im rohrförmigen Steuerschieber 23 geöffnet, wodurch frisches Brennstoff-Luft-Gemisch 14 und 16 in den Brennraum 34a eingeströmt ist Danach wiederholen sich die vorbeschriebenen Bewegungsabläufe sinnge- =;Ω

ItICXL/.

Die Freikolben-Gasturbinenanlage befindet sich nun im selbständigen Betrieb.

Die Funktion des Elektromagneten 25 als Impulsgeber zum »resonanzartigen Aufschaukeln« wird jetzt überflüssig. Deshalb wird er von der elektrischen Steuerung 28 abgeschaltet, oder bei Bedarf zum Stromerzeuger für eine elektrische Hilfseinrichtung 29 umgeschaltet.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung

Um einerseits den Wirkungsgrad der Freikolben-Gasturbinenanlage zu vergrößern, sowie andererseits kleinere Abtriebsdrehzahlen η zu ermöglichen wird der Impuls K, der von den Außenseiten der Rrennräume 34;i und 346 kommenden, aufgeheizten Kühlluft 17. zur Erzeugung von rotierenden Abtrieb Rgenutzt.

Dazu wird die aufgeheizte Kühlluft 17 durch die als Gebläseschaufeln geformten Kühlrippen 35 zusätzlich beschleunigt und durch die beidseits des hohlen Gasturbinenlaufrades 2 angeordneten Ansaugkanälc 35a dem als Treibdüse eines Ejektors wirkenden Düsenkranz 38. aus welchem die aufgeheizten Gase 22 ausströmen, zugeführt. Im ringförmigen Ejektor-Mischraum 39 erfolgt dann die Vermischung des Kühlluftimpulses K der aufgeheizten Kühlluft 17 mit dem Primärimpuls P der aufgeheizten Gase 22 (siehe auch Fig. 2). Der daraus entstehende Sekundärimpuls S= K + P- ό ist trotz der Verluste γ im ringförmigen Ejektor-Mischraum 39, durch Aufnahme des Kühlluftimpulses K. größer als der Primärimpuls P.

Außerdem erhält der Sekundärimpuls S durch Aufnahme der Masse Km des Kühlluftimpulses K einerseits eine größere Masse Sm= Pm+ Km und andererseits eine kleinere Geschwindigkeit Sv als die des Primärimpulses Pv.

Dieser mit kleinerer Geschwindigkeit Sv, jedoch mit größerer Masse Sm wirkende Sekundärimpuls S ermöglicht bei gleich großem Wirkungsgrad der Energieumsetzung kleinere, technisch direkt besser nutzbare Abtriebsdrehzahlen n.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung der Freikolben-Gasturbinenanlage besteht in der Möglichkeit, die für jede Schiebersteuerung charakteristischen Verluste, von aus den Brennräumen 34a und 346 überströmenden, unverbrannten Teilen des Brennstoff-Luft-Gemisches 14 und 16, zur Erzeugung von rotierenden Abtrieb R zu nutzen. Dazu sind die Leitschaufeln 40 als Glühkörper ausgebildet. An diesen entzünden sich dann die von den Brennräumen 34a und 346 überströmenden, oder nicht restlos verbrannten Teile des Brennstoff-Luft-Gemisches 14 und 16, welche darauf im Strom der aufgeheizten Kühlluft 17 verbrennen. Dadurch wird der Kühlluftimpuls K zwecks Vergrößerung des rotierenden Abtriebes R verstärkt.

Zur Erreichung eines kleinen Leistungsgewichtes der beschriebenen Freikolben-Gasturbinenanlage ist eine große Frequenz der Verbrennungsabläufe in den Brennräumen 34a und 346 erforderlich.

Deshalb sind zur Gewährleistung einer schnellen Füllung und Entleerung der Brennräume 34a und 346 die Stirnseiten 21a und 216 des Freikolbens 20 sowie die Stirnwände 33a und 336 des Zylinders 33 in einer strömungsgünstiger., sich konisch verjüngenden Form ausgebildet

Außerdem erzeugt einerseits die Massenträgheit der aus dem Düsenkranz 38 ausströmenden Gase 22 sowie andererseits die in den ringförmigen Ejektor-Mischraum 39 einströmende Kühlluft 17, im Zusammenwirken mit der Sogwirkung der rotierenden Leitschaufeln 40 bei geöffneten Ausströmöffnungen 37, in den Brennräumen 34a und 346 einen Unterdruck. Dieser begünstig eine schnelle und gründliche Entleerung der Hrennräu me 34a und 346 von Resten der verbrannten Gase 22 sowie bei geöffneten Steueröffnungen 24,ioder 246 eine . schnelle Füllung der Brennräume 34a oder 346 mit dcrr vom Ansaugtrichter 9 kommenden Brennstoff-I.uft-Ge misch 14 und 16.

Weiterhin werden große Geschwindigkeiten ± ν de. Freikolbens 20 dadurch ermöglicht, daß eine Flächenbc

in lastung ρ zwischen der Außenseite des Freikolbens 2( und der Innenseite des Zylinders 33 völlig ausgeschlos sen wird (siehe auch F i g. 3). Dazu ist der von der Führungsbüchsen 31a und 316 geführte, rohrförmig! Steuerschieber 23 so biegesteif konstruiert, daß untei

ι Einhaltung der erforderlichen Toleranzen, eine Beruh rung der Außenseite des Freikolbens 20 mit dei Innenseite des Zylinders 33 völlig vermieden wird Dabei wirken die keilförmig geformten Außenkolben ringe 19 als Abstreifer für die sich in der Innenseite de;

.»π Zylinders 33 festsetzenden Verbrennungsrückstände Der dabei beim Abstreifen erzeugte Abrieb wird zu der Ausströmöffnungen 37 befördert, wo er im Strom dei aufgeheizten Gase 22 verbrennt. Da erfindungsgemät zwischen dem Freikolben 20 und der Innenseite de!

.' ·, Zylinders 33 keine Berührung stattfindet, wird in diesen Bereich eine Schmierung überflüssig. Die Außenkolben ringe 19 werden direkt durch das Brennstoff-Luft-Ge misch 14 und 16 geschmiert.

Bei der vorgehend beschriebenen, erfindungsgemä

in Ben Arbeitsweise der Freikolben-Gasturbinenanlage schwingt die kleinere, aus dem Freikolben 20, den· rohrförmigen Steuerschieber 23 und dem Ausgleichsge wicht 27 bestehende Masse m 1 mit der größeren, derr variablen Hub ± H entsprechenden Schwingweite hir

!, und her.

Dem entgegengesetzt gerichtet schwingt die größere aus dem Zylinder 33, dem hohlen Gasturbinenlaufrad 2 dem Elektromagneten 25 und der Kupplungsscheibe 47 gebildeten Masse m 2, mit der kleineren Schwingweite ± A. Dabei bilden die beiden, in Richtung a und 6 auf dei Längsachse X frei um ihren gemeinsamen Massen schwerpunkt Anschwingenden Massen m 1 und /n2, eir in sich geschlossenes, sich jederzeit im Gleichgewicht befindliches Schwingungssystem. Infolge des vom 5 hohlen Gasturbinenlaufrad 2 erzeugten rotierender Abtriebes R, rotiert dieses Schwingungssystem noch zusätzlich um die den beiden schwingenden Massen m 1 und m 2 gemeinsame Längsachse X, mit der Drehzahl π Dabei überträgt das Kupplungssystem 44 bis 4t

so einerseits den rotierenden Abtrieb R auf eine Abtriebswelle 42. Andererseits begrenzt dieses Kupplungssystem 44 bis 48, zur Verhinderung von Kollisionen dei schwingenden Masse m 2 mit dem Gehäuse 5, die Schwingweite ±A im Raum. Dazu überträgt die auf dei Führungsbüchse 31a befestigte Kupplungsscheibe 47 die Schwingweite ±A ins Innere des auf der Antriebswelle 42 fixierten, in Richtung a und 6 auf der Längsachse λ nicht verschiebbaren, Kupplungsgehäuses 44. Zwei beidseits der Kupplungsscheibe 47 befestigte und mil dem Inneren der Stirnwände des Kupplungsgehäuses 44 kraftschlüssig verbundene, elastische Kupplungsringe 45a und 456 begrenzen durch ihren progressiv wirkenden Federweg, elastisch bis starr, das Auswandern der Schwingweite ± A aus ihrer Mittelstellung.

Dabei überträgt die Kupplungsscheibe 47 über die beidseitig ringförmig angeordneter. Kappkingsnocken 46a und 466 über die in Richtung des rotierenden Abtriebes R starr wirkenden Kupplungsringe 45a und

456 die Abtriebsleistung /V mit der Drehzahl η über das Kupplungsgehäuse 44 auf die Abtriebswelle 42.

Um die durch die Verformungsarbeit in den elastischen Kupplungsringen 45a und 456 erzeugte Wärme nutzbringend abführen zu können, ist die Kupplungsscheibe 47 als Radialverdichterlaufrad 48 ausgebildet. In diesem wird die von den elastischen

IO

Kupplungsringen 45a und 45Z) erzeugte Wärme, über die ringförmigen K upplungsnocken 46,7 und 46b, auf die von den Kühlluftoffnungcn 6 kommende Kühlluft 18 übertragen. Außerdem wird der letztere radial beschleunigt und über eine um das Gehäuse 5 spiralförmig angeordnete Sammelleitung 49, beispielsweise zur Pk w-Innenheizung, weitergeleitet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 1. Freikolben-Gasturbinenanlage mit:

a) einem doppelt wirkenden Freikolben, der von einer koaxialen Kolbenstange getragen wird;

b) einem Zylinder, dessen Innenraum durch den Freikolben in zwei Brennräume, denen ein Brennstoff-Luft-Gemisch zuführbar ist, unterteilt wird und in dessen Stirnwänden die Kolbenstange axial beweglich gelagert ist;

c) einem Düsenkranz, der am Umfang des Zylinders auf halber Höhe angeordnet ist und im wesentlichen radial gerichtete Kanäle enthält, die ein Ausströmen von Gas aus dem Innenraum des Zylinders ermöglichen; und

d) einem Gasturbinenlaufrad, das um den Düsenkranz konzentrisch angeordnet ist und das aus dem Düsenkranz ausströmende Gas aufnimmt,