DE2857646C2 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine &o gemäß dem Oberbegriff des Hp.uptanspruchs.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE-PS 83 731 bekannt. Die in dieser Druckschrift beschriebene Brennkraftmaschine umfaßt ein in einem Gehäuse drehbares Läuferrad, das auf einem Teil seines Umfangs mit Schaufeln versehen ist und auf dem verbleibenden Teil seines Umfangs eine bogenförmige Oberfläche aufweist, die im wesentlichen denselben Radius wie der äußere Bereich der Schaufeln besitzt. Oberhalb des Gehäuses ist eine Brennkammer mit einer tangential auf das Läuferrad mündenden Austrittsdüse angebracht Ein komprimiertes Kraftstoff-Luftgemisch wird periodisch in die Brennkammer eingeleitet und in einem geeigneten Augenblick gezündet, so daß die aus der Austritts-Düse austretenden Verbrenmingsgase auf die Schaufeln des Läuferrades treffen und das Läuferrad ntreiben. Das Gehäuse weist in vorgegebenen Positionen hinter der Austritts-Düse der Brennkammer Auspuff-Auslässe zur Ableitung der Verbrennungsgase auf.

Nach jedem Verbrennungszyklus wird die Brennkammer mit Frischluft gespült Auf diese Weise wird jedoch keine nennenswerte Spülung der Zwischenräume zwischen den Schaufeln erreicht, so daß die aus der Brennkammer austretenden Verbrennungsgase zwischen der Austritts-Düse und den Auspufi-Auslässen lediglich mit sauerstoffarmen Auspuffgasen und nicht mit Frischluft in Berührung kommen. Dies hat den Nachteil, daß innerhalb der Schaufeireihe des Läuferrades keine Nachverbrennung stattfinden kann, so daß die Auspuffgase einen verhältnismäßig hohen Schadstoffgehalt aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine zur Verringerung der Schadstoffemission eine Nachverbrennung der Abgase zwischen den Turbinenschaufeln zu ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß weist das Gehäuse in einer vor der Austritts-Düse der Brennkammer gelegenen Position zusätzliche Auspuff-Auslässe und einen Luft-Einlaß auf. Durch Einleitung von Frischluft in diesen Luft-Einlaß können somit die Schaufelreihen gespült werden. Dies hat zur Folge, daß die aus der Austritts-Düse austretenden Verbrennungsgase zwischen den Schaufeln auf sauerstoffreiche Frischluft treffen, so daß sich die unverbrannten Abgasbestandteile aufgrund ihrer hohen Temperatur entzünden und es zu einer Nachverbrennung in der Schaufelreihe kommt

Bevorzugt sind auf der Welle des Läuferrades parallel zu der ersten Schaufelreihe zweite und weitere Schaufelreihen angeordnet, die über dazwischenliegende stationäre Schaufelreihen mit den Verbrennungsgasen beaufschlagt werden. Auf diese Weise kann auch die bei der Nachverbrennung in der ersten Schaufelreihe frei werdende Energie genutzt werden.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch eine erfindungsgemäße Maschine;

F i g. 2 ist ein Schnitt entlang der Linie U-II in F i g. 1; F i g. 3 ist eine Vorderansicht der Maschine;
Fig.4 ist ein Schnitt durch die Maschine, gesehen in Richtung der Pfeile IV-IV, wobei ein oberes Gehäuseteil entfernt ist;

Fig.5 bis 8 sind Diagran-me zur Veranschaulichung des Arbeitsprinzips der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.

Das Gehäuse 49 einer Brennkraftmaschine nimmt ein Läuferrad 1 auf, das in dem Gehäuse drehbar abgestützt wird. Oberhalb des Gehäuses befindet sich eine Brennkammer 10. Wie in F i g. 1 und 2 gezeigt ist, weist

das Läuferrad 1 eine Vielzahl von Impuls-Schaufeln auf einem Teil des Umfangs auf, die eine erste Schaufelreihe 2 bilden. Gegenüber beiden Seiten des Läuferrades 1 über den Bereich einer Düse 31, die später besehrieben werden soll, bis zu den Auslässen 50 befinden sich feststehende, mit Schaufeln versehene Platten 4 in dem Gehäuse, die jeweils eine Reihe von auf dem Umfang ausgerichteten Führungsschaufeln 3 tragen. Eine drehbare Welle 5, die das Läuferrad 1 aufnimmt, trägt mit Schaufeln versehene Platten 7, auf denen sich jeweils eine zweite Reihe von Schaufeln 6 in Phase mit der ersten Schaufelreihe 2 befindet In der zuvor beschriebenen Weise können eine Führungsschaufelreihe und eine dritte Schaufelreihe gewünschtenfalls auf der Außenseite der zweiten Schaufelreihe 6 angeordnet sein.

Die Formen der Schaufeln können bestimmt werden nach theoretischen Unterlagen für Gasturbinenschaufeln. Vorzugsweise sind die Schaufeln der ersten Schaufelreihe 2 als Impuls-Schaufeln ausgebildet, während die Schaufeln der zweiten Schaufelreihe 6 und der anschließcnderi Schaufelreihen Reaktions-Schaufeln darstellen. Die Reihe der Führungsschaufel!: 3 dient zur Änderung der Strömungsrichtung des Gases, das von der ersten Schaufelreihe angegeben und an die nächste Schaufelreihe 6 weitergeleitet wird.

Auf demjenigen Teil des Umfangs des Läuferrades 1 und der drehbaren, mit Schaufeln versehenen Platten 7, auf denen die Schaufelreihen 2 oder 6 nicht vorgesehen sind, befindet sich eine kreisbogenförmige Oberfläche 8, die denselben Radius wie die Bewegungsbahn der äußeren Schaufelenden aufweist. Verbindungsplatten 9, die entsprechend der bogenförmigen Oberfläche 8 gebogen sind, sind an den Schaufeln der ersten Schaufelreihe 2 auf gegenüberliegenden Seiten ihrer vorderen Enden angebracht und bilden einen kontinuierlichen Kreis aus der kreisbogenförmigen Oberfläche 8 und den Verbindungsplatten 9.

Die Brennkammer 10 wird begrenzt durch ein Gehäuse 11, das sich auf dem Gehäuse 49 befindet, und einen Deckel 12, die hermetisch mit Hilfe von Bolzen 15 und Dichtungen 13,14 zwischen den zusammengefügten Flächen befestigt sind. Ein Düsenkörper 16 ist gleitend in den unteren Bereich des Gehäuses 11 eingefügt, und Dichtpackungen 17 befinden sich zwischen den zusammenwirkenden Flächen des Gehäuses und des Düsenkörpers zur hermetischen Verbindung.

Der Düsenkörper 16 weist eine nach innen kurvenförmig gewölbte Bodenfläche auf, deren Kreisbogenform derjenigen der Oberfläche 8 des Läuferrades 1 und der Verbindungsplatten 9 entspricht. Haltestangen 18 erstrecken sich durch den Deckel 12 und das Gehäuse 11 und liegen gegen die obere Oberfläche des Düsenkörpers 16 an. Federn 20 sind zwischen den oberen Enden der Haltestangen 18 und Ansätzen 19 vorgesehen, die von dem Deckel 12 aufragen, so daß der Düsenkörper 16 leicht gegen den äußeren Umfang des Läuferrades 1 gedrückt wird.

Das Gehäuse 49 weist in seinem unteren Bereich eine Schmierkammer 21 auf, die mit einem Schmiermittel gefüllt ist und in die eine poröse Platte 22 gleitend eingefügt ist. Auf der porösen Platte 22 befindet sich eine hitzebeständige, verschleißfeste Faser 23, und die Platte 22 wird durch Federn 24 nach oben vorgespannt, so daß die kreisbogenförmige Oberfläche 8 des Läuferrades 1 und dh bogenförmigen Oberflächen¹ der Verbindungsplattcn 9 ständig geschmiert werden. Der Deckel 12, das Gehäuse It der Brennkammer und der Düsenkörpcr 16 weisen im Inneren Wasserkammern 25, 26 und 27 auf, mit denen ein Einlaßrohr 28 und ein Auslaßrohr M zur Umwälzung von Kühlwasser und zur inneren Kühlung dieser Teile mit Hilfe des Wassers verbunden sind.

Das Gehäuse It der Brennkammer weist in seiner Bodenwand einen Verbrennungsgas-AuslaO 30 auf. Der Düsenkörper 16 weist eine Austritts-Düse 31 auf, die mit dem Auslaß 30 in Verbindung steht und in Richtung einer Tangente an die äußere Umfangsfläche des

ίο Läuferrades 1 geneigt ist Innerhalb der Brennkammer 10 an der öffnung des Auslasses 30 des Gehäuses 11 befindet sich eine Wand 63 zum Umrühren des Gasstromes und zum Zerstören drallförmiger Gasströme in der Brennkammer und damit zur Verbesserung der Vermischung von Brennstoff mit Gas.

Der Deckel 12 ist mit einem Einlaß 32 für komprimierte Luft sowie einer Brennstoff-Einspritzdüse 33 und einer Zündkerze 34 verseilen. Der Einlaß 32 steht in Verbindung mit einer Druckluftleitung 35, die an ihrem vorderen Ende mit einem D^rnckbehä!ter 36 verbunden ist, aus dem dem Einist' 32 Druckluft zugeführt wird. Mit dem Druckluftbehälter 36 ist ein Kompressor 38 verbunden, der durch ein Zahnrad 37 auf der Welle 5 angetrieben wird. Wenn sich die Welle 5 dreht, wird Druckluft erzeugt und dem Druckbehälter 36 zugeführt.

Ein Ventil 39 befindet sich gleitend innerhalb des Einlasses 32 und weist einen Ventilschaft 40 auf, der sich aus dem Einlaß heraus erstreckt. Eine Feder 42 zwischen

so dem vorderen Ende des Ventilschafts 40 und einer Stütze 41 spannt das Ventil 39 im Sinne einer Schließung des Einlasses 32 vor. Eine Nockenwelle 44 mit einem exzentrischen Nocken 43 befindet sich oberhalb des Ventilschafts 40. Die Nockenwelle 44 ist mit der Welle 5

ίο über ein Zahnrad 45 und eine Kette 46 gekoppelt und bewegt sich mit der Drehung der Welle 5, so daß das obere Ende des Ventilschafts 40 niedergedrückt und der Einlaß 32 in geeignetem Zeittakt geöffnet wird.

Die Brennstoff-Einspritzdüse 33 ist mit einer Brenn-

4π stoffpumpe 48 verbunden, die durch ein Zahnrad 37 auf der Welle 5 angetrieben wird. Die Zündkerze 34 steht mit einem Unterbrecher 48a in Verbindung, der in ähnlicher Weise mit einem Zahnrad 47 auf der Welle 5 gekoppelt ist. Der Brennstoff wird durch diese

4-i Einrichtungen in geeignetem Zeiuakt in tezug auf die Drehung der Welle eingespritzt, und entsprechend wird ein Funke erzeugt.

Die Auspuff-Auslässe 50, die mit den Bewegungsbahnen der zweiten Schaufelreihen zusammentreffen, befinden sich in gegenüberliegenden Seitenwänden des Gehäuses 49 in einer Position vor der Austritts-Düse 31 in Laufrichtung des Läuferrades 1. Das Auspuff- oder Abgas wird durch nicht gezeigte Leitungen abgeleitet, die mit den Auslassen 50 verbunden sind. In einer weiter vor den Auslässen 50 gelegenen Position befindet sich ein Frischluft-Einlaß 51 in der Umfangswand des Gehäuses 49, der mit der Bewegungsbahn der ersten Schaufelreihe 2 zusammentrifft. Auspuff-Auslässe 52 sind in beiden Wänden des Gehäuses 49 vorgesehen und

bo stehen mit der Bewegungsbahn der letzten Schaufelreihen 6 in Verbindung. Der Luft-Einlaß 51 ist mit einer Einrichtung 53 zur Zufuhr von frischer Druckluft verbunden.
Die Einrichtung 53 zur Zufuhr von frischer Druckluft

hi ist in F i g. 2 und 3 ge; ?'.gt und umfaßt Schaufeln 54 an der äußeren Seite der Platten 7 der letzten Schaufelreihe zum Einziehen von frisher Luft in Einlaßöffnungen 55 im Mittelpunkt des Gehäuses und zum Hindurchdrük-

ken der Luft durch Auslässe 56 und Kanäle 57 in den Luft-Einlaß 51. Die Einrichtung 53 zum Zuführen von Luft kann in verschiedener Weise geändert werden. Beispielsweise kann der Einlaß 51 mit dem Druckbehälter 36 über einen Kanal zur Aufnahme von Druckluft > von dem Kompressor 38 verbunden werden.

Das Läuferrad 1, die feststehenden, mit Schaufeln versehenen Platten 4, die mit Schaufeln versehenen Platten 7 der zweiten und der folgenden Schaufelreihen auf der Welle 5, die durch Berührung mit dem in Verbrennungsgas erwärmt werden, sind im Inneren hohl ausgebildet. Das Einlaßrohr 28 für Kühlwasser verzweigt sich und ist mit den feststehenden Platten 4 verbunden, so daß durch deren Inneres Kühlwasser geleitet wird. Die Welle 5 ist an ihrem einen Ende mit r» einem Drehanschluß 58 zum Einleiten von Kühlwasser durch die Welle und das Innere der drehbaren Platten 7 und des Läuferrades 1 versehen. Das Wasser tritt aus aus einem weiteren Drehanschluß 59 am anderen Ende der Welle. Die Welle 5 treibt die Ausgangswelle 62 über 2« Zahnräder 60 und 61 an.

Wenn das vordere Ende der ersten Schaufelreihe 2 aui dem Läuferrad 1 bei der Drehung in einer Position unmittelbar vor der Düse 31 liegt und den Luft-Einlaß 51 passiert hat (F i g. 5), ist durch die Frischluft, die durch r> den Einlaß 51 in die Schaufelreihe 2 eingesogen worden ist, das Auspuffgas aus den Reihen der Schaufeln 2 und 6 durch die Auslässe 52 ausgestoßen worden, und die Luft hat die Schaufelreihen gefüllt. Die Mischung aus Druckluft und Brennstoff, die sich in der Brennkammer m 10 befindet, wird zur Explosion gebracht durch Zündung mit Hilfe eines Funkens, der durch die Zündkerze 34 erzeugt wird.

Bei der Explosion innerhalb der Brennkammer 10 tritt ein Strom des Brenngases strahl^rörmig aus der Düse 31 über den Auslaß 30 aus und trifft direkt auf die Schaufeln der Reihe 2 des Läuferrades 1, das auf diese Weise angetrieben wird (F i g. 6). Da das Verbrennungsgas, das in der Brennkammer 10 erzeugt wird, bei der Explosion direkt auf die erste Schaufelreihe 2 des Läuferrades 1 auftrifft, treten geringe oder keine Energieverluste auf. Je größer der Durchmesser des Läuferrades 1 ist, desto größer ist das sich ergebende Drehmoment Das Verbrennungsgas trifft direkt auf die erste Schaufelreihe 2 und wird dort vermischt mit der frischen Luft, die die Zwischenräume zwischen den Schaufeln füllt, so daß die unverbrannten Bestandteile des Gases einer sekundären Verbrennung an den Schaufeln ausgesetzt werden. Das Gas strömt sodann in die Reihen der Führungsschaufeln 3, während es sich nach und nach ausdehnt, so daß es gewendet wird und in die zweiten Schaufelreihen 6 eintritt. Wenn die zweiten Schaufelreihen 6 die Auspuff-Auslässe 50 passieren, während sich das Läuferrad 1 dreht, tritt das Gas in den Schaufelreihen strahlförmig durch die Auslässe 50 aus und gibt dabei an die zweiten Schaufelreihen durch Reaktion Drehmoment ab. Obgleich das Verbrennungsgas, das aus der Düse 31 der Brennkammer 10 austritt, erhebliche Mengen unverbrannter Bestandteile enthält, wird es mit frischer Luft für eine sekundäre Verbrennung beim Durchgang durch die Schaufelreihen 2 und 6 vermischt. Da die unverbrannten Bestandteile auf diese Weise ausgeschaltet werden, kann das Verbrennungsgas aus den Auslassen 50 abgegeben werden, ohne daß eine Luftverschmutzung oder ein Zündrückschlag eintreten.

Wenn der größere Teil der Schaufeln der ersten Schaufelreihe 2 des Läuferrades 1 die Düse 31 passiert hahpn und «jrh pjnio? Schaufeln im riickwärti°en Bereich der Schaufelreihe hinter der Düse 31 befinden (Fig. 7), wird das Ventil 39 in der Brennkammer 10 durch den exzentrischen Nocken 43 niedergedrückt, so daß der Luft-Einlaß 32 geöffnet wird und Druckluft aus dem Druckbehälter 36 durch die Druckluftleitung 35 in die Brennkammer 10 gelangt und die Brennkammer 10 spült und die Auspuffgase aus der Brennkammer durch die Düse 31 in die Schaufelreihe 2 drückt.

Wem die letzten Schaufeln oes Läuferrades 1 die Düse 31 passiert haben (Fig.8), verschließt die kreisbogenförmige Oberfläche 8 die Düse 31. Das Läuferrad 1 befindet sich in Drehung, und die sekundäre I Verbrennung wird zwischen der. Schaufeln fortgesetzt und das Gas ausgestoßen. In der Brennkammer 10 wird das Ventil 39 angehoben und verschließt den Einlaß 32, so daß die Druckluft innerhalb der Brennkammer 10 festgehalten wird. Während die Druckluft beim Einströmen in die Brennkammer 10 durch den Einlaß 32 gegen die Wand 63 anschlägt und sich daher turbulent bewegt, wird Brennstoff, der durch die Einspritzdüse 33 in zerstäubter Form eingespritzt wird, mit dem Strom der Druckluft vermischt Der Zyklus, der mit dem Zündvorgang gemäß F i g. 5 beginnt, wird wiederholt

Erfindungsgemäß werden die Vorgänge gemäß Fig.5 bis 8 wiederholt, d.h., es folgen einander Zündung, Explosion, Auspuff und Einspritzen von Brennstoff in die Brennkammer 10. Der Stoß, der sich durch jede Explosion ergibt, wird an das Läuferrad 1 zur Drehung der Welle 5 und zum Antreiben der Ausgangswelle 62 abgegeben.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche; pi if?

1. Brennkraftmaschine mit einem Läuferrad, das eine Reihe von Schaufeln nur auf einem Teil seines Umfangs und eine bogenförmige Oberfläche auf dem verbleibenden Teil des Umfangs aufweist, die im wesentlichen den selben Radius wie der äußere Bereich der Reihe der Schaufeln besitzt, einem Gehäuse für das Läuferrad mit ersten Auspuff-Auslässen, einer Brennkammer oberhalb des Gehäuses mit einer Austritts-Düse, die mit der Brennkammer

in Verbindung steht und zur Zufuhr von Verbrennungsgas zu dem Läuferrad in einer, bezogen auf die Drehrichtung des Läuferrades vor den ersten Auspuff-Auslassen gelegenen Position im wesentü- a chen tangential zu dem Läuferrad mündet, und mit einer Einrichtung zum Spülen der Brennkammer mit Frischluft nach jedem Verbrennungszyklus, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (49) in £"«aer, bezogen auf die Drehrichtung des >o Läuferrades (1) vor der Austrittsdüse (31) gelegenen Position zweite Auspuff-Auslässe (52) und einen zugeordneten Luft-Einlaß (51) zur Einleitung von Frischluft zur Nachverbrennung der aus der Austritts-Düse (31) austretenden heißen Verbrennungsgase aufweist

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luft-Einlaß (51) über einen Kanal (57) mit einem strornabwärtigen Bereich des Läuferrades (1) in Verbindung steht, in dem Luftschauf?ln (54) zur Luftzufuhr vorgesehen sind.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luit-Einlaß (51) mit einem Luft-Kompressor verbunden ist.

4. Brennkraftmaschine nacl. einem der Ansprüehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zweite und weitere Reihen von Schaufeln (6) auf der Welle (5) des Läuferrades (1) parallel zu der ersten Schaufelreihe (2) angeordnet sind, daß Reihen von Führungsschaufeln (3) fest in bezug auf das Gehäuse zwischen den Schaufelreihen (2, 6) angeordnet sind, daß der Luft-Einlaß (51) am Umfang der ersten Schaufelnsihe (2) mündet und daß die zweiten Auspuff-Auslässe (52) auf gegenüberliegenden Seiten im Bereich der stromabwärtigen Enden der letzten Schaufelreihen (6) liegen.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen der Führungsschaufeln (3) und der zweiten und weiteren Schaufeln (6) auf beiden Seiten der ersten Schautelreihe (2) üo angeordnet sind und daß die ersten Auspuff-Auslässe (50) und die zweiten Auspuff-Auslässe (52) in gegenüberliegenden Wänden des Gehäuses (49) gegenüber den stromabwärtigen Seiten der letzten Schaufelreihen (6,6) angeordnet sind.