DE4237910C2 - Strahltriebwerk mit einem Verdichterantrieb, insbesondere Verbrennungsmotor und einer Kaltluftdosierturbine - Google Patents

Description

Bei herkömmlichen Strahltriebwerken bestehen die Probleme in dem sehr geringem Wirkungsgrad derselben und in den ausgestoßenen Schadstoffen.

Wie bei allen Verbrennungskraftmaschinen hängt auch bei her­ kömmlichen Strahltriebwerken der Wirkungsgrad sehr von der Höhe der Arbeitsdrücke und der Höhe der Verbrennungstemperaturen während des Betriebs ab. Gerade in diesen Punkten weisen her­ kömmliche Strahltriebwerke viel zu geringe Druck und Temperatur­ werte auf, was sich aufgrund der Art der Verdichter und der zu geringen Wärmebeiastbarkeit der verwendeten Materialien ergibt. Außerdem bringen die Strömungsvorgänge für die durchgesetzte Luft aufgrund der Bauart dieser Triebwerke hohe Strömungsverluste infol­ ge von Reibung mit sich, weil diese Luft mehrere Richtungsänderungen über Umlenkvorgänge und unharmonische Strömungen durchführen muß. Auch gewisse zu hohen Kühlverluste ergeben sich, was auch den Wirkungsgrad, durch Kühlung gewisser Teile verringert.

Auch bestehen bei herkömmlichen Strahltriebwerken Verluste, infolge von Übertragungsverlusten. Das heißt, daß bei einer gewissen Fluggeschwindigkeit nur eine gewisse Ausstoßgeschwindig­ keit der aus dem Triebwerk ausgestoßenen Luftmassen den optimaler Übertragungswirkungsgrad bringen würde. Eine ähnliche Beziehung ist z. B. bei Freistrahlturbinen in Wasserkraft werken bekannt, wo ja der beste erreichbare Wirkungsgrad sich nur bei einer gewissen Turbinendrehzahl im Vergleich zur Aufprallgeschwindigkeit des Wassers ergibt. Diese Beziehung bei Strahltriebwerken ist ähnlich und wegen fehlen einer entsprechenden Anpassung dieser Luftaus­ stoßgeschwindigkeit läßt sich in nahezu keinem Flugzustand ein guter Übertragungswirkungsgrad erreichen.

Die Grundformel für die Leistungslieferung des Triebwerks ist Masse der Ausgestoßenen Luft pro Sekunde mal Luftgeschwindigkeit bzw. eben die Energie die sich durch Abbremsen dieser Luftmassen gewinnen lassen würde, aus der Bewegungsenergie.

Es würde sich sicherlich prüfen lassen, daß diese Bewegungsenergie dieser ausgestoßenen Luftmassen viel größer ist, als die wirklich als Vortriebsenergie (Schubkraft in kp mal Fluggeschwindigkeit in m/s) umgesetzte Leistung. Das bestimmt letztendlich diesen Übertragungswirkungsgrad.

Aus der DE-OS 20 24 194 ist eine Vorrichtung zur Verwendung eines Verfahren zur Abgasverwertung einer Brennkraftmaschine mit Injektorstrahltriebwerk bekannt. Bei dieser Vorrichtung werden die heißen Abgase der Brennkraftmaschine in einer Mischkammer mit zugeführter, vorgewärmter Luft innig vermischt. Das so entstehende Abgas-/Luftgemisch strömt dann in eine Injektorrückstoßdüse in welcher eine weitere Vermischung unter gleichzeitigem Druckanstieg erfolgt. Somit wird eine Erhöhung der kinetischen Energie der heißen Abgase realisiert.

Die beschriebene Vorrichtung hat den Nachteil, daß eine derartige abgasverwertende Vorrichtung mit erwärmter Luft betrieben werden muß wobei eine Erwärmung der zugeführten Luft über Wärmetauscher durch das Kühlwasser der wassergekühlten Brennkraftmaschine oder durch die Abgabewärme der luftgekühlten Brennkraftmaschine geschieht. Außerdem kann eine grobe Mengenregulierung der zugeführten und zu erwarmenden Luft allein durch ein Jalousiebauteil geschehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit Strahltriebwerk dahingehend zu verbessern, daß auf eine Erwärmung der zum Zwecke der Abgasverwertung zur Schubverbesserung eingeleiteten Luft verzichtet werden kann.

Die Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs gelöst
Die Ziele der Erfindung werden dadurch erreicht, daß ein Verdichter antrieb (z. B. Verbrennungsmotor) verwendet wird, der mit hohem Wirkungs­ grad arbeitet. Von diesem der Verdichter angetrieben wird, und von diesem Umgebungsluft unter hohen Drücken von 50 bis 150 at. in ein im Querschnitt gleichförmiges Brennrohr eingeleitet wird.

Das Brennrohr ist also praktisch von Anfang bis Ende im Querschnitt gleich ausgebildet, da das die optimalen Bedingungen für optimale Beschleunigung dieser Luftmassen bietet, und fast keine Reibungs­ verluste erreichen läßt. Das Brennrohr sollte innen sehr glatt bear­ beitet sein, vielleicht in gewissen Bereichen verchromt sein und auch sehr gerade ohne die kleinste Krümmung gebaut sein. In einem gewissen Bereich des Brennrohrs hinter der Lufteinführung erfolgt die Zufüh­ rung des Kraftstoffs. Hinter der Kraftstoffzuführung schließt sich der Brennbereich an. Das heißt dieser Bereich, in dem der Kraftstoff verbrennt. Bis zum Ende des Brennbereichs dürfte der Druck von seinem Wert kaum abfallen, da die Expansion der Luft und die Erhöhung ihrer Strömungsgeschwindigkeit dafür sorgt, daß dieser Druck erhalten bleibt. Hinter den Brennbereich schließt sich der Expansionsbereich an, in dem vor Austritt aus dem Brennrohr die heißen Gase jedenfalls bis fast auf atmosphärischen Druck entspannt werden sollen, weil eine nicht weitreichende Entspannung auf denselben Wirkungsgradverluste bringen würde. Die Luft expandiert also, und wegen dem gleichen Querschnitt des Rohres hat diese Expansion dann eine entsprechende Strömungsge­ schwindigkeitserhöhung zur Folge, bis die heißen Gase nach fast völliger Entspannung aber mit sehr hoher Geschwindigkeit das Brennrohr verlassen.

An das Brennrohr schließt sich dann der erweiterte Querschnitt des Kaltluftbeschleunigungssystems an. Diese Kaltluftbeschleunigung ist unbedingt wichtig und sinnvoll, weil die aus dem Brennrohr austretenden Gase so viel Bewegungsenergie besitzen, daß sich diese Bewegungsenergie nutzen läßt, eine entsprechende Kaltluftmenge zur Schubverbesserung und zur Übertragungswirkungsgradverbesserung zu beschleunigen. Aus diesem Grunde wird dieses Kaltluftbeschleunigungssystem verwendet, das aus einer rohrförmigen im Querschnitt verstellbaren Einrichtung besteht. Der Querschnitt dieser Einrichtung ist größer als der Quer­ schnitt des Brennrohrs. Man könnte diese Einrichtung z. B. in Form einer Stahlmanschette bauen, bei der sich durch Zusammenziehen und erweitern der Querschnitt eben verändern läßt. Die Länge dieses Kalt­ luftsystemrohrs muß dann an Praxisgegebenheiten getestet werden. Es ist außerdem sinnvoll, diese Kaltluft für dieses System über eine in der Drehzahl verstellbare Luftdosierturbine dosieren zu können. Diese Turbine sitzt vor dem Kaltluftsystem und dieses Brennrohr bläst konzentrisch durch die Achse der Turbine hindurch verlaufend in die Mitte dieses Kaltluftrohrs. Diese Kaltluftdosierturbine ist im Quer­ schnitt größer als das Kaltluftrohr. Die kalte Luft wird also über diese Kaltluftdosierturbine zugeteilt; sie streicht dann seitlich am hintersten Teil des Brennrohrs entlang und dann über eine Verengung in das sinnvollerweise auch im Querschnitt gleichförmige Kaltluftrohr. Der heiße Luftstrom bläst auf diese Kaltluft unter leichter Verwir­ belung, und beschleunigt sie.

Verluste bei dieser Art der Leistungsübertragung auf die Kaltluft ergeben sich praktisch so gut wie nicht, so daß die ausgestoßene Gesamt­ luftmasse den gleichen Leistungswert enthält wie zuvor die heiße Luft aus dem Brennrohr. Die Masse des ausgestoßenen Gesamtluftstroms ist wesentlich größer, dafür natürlich die Ausstoßgeschwindigkeit entspreche geringer. Die Temperatur ist natürlich auch geringer als zuvor bei der heißen Luft aus dem Brennrohr.

Für eine optimale Leistungsübertragung ist es notwendig mit unterschied­ lichen durchgesetzten Luftmassen und unterschiedlichen Ausstoßge­ schwindigkeiten arbeiten zu können. Besonders beim Start sollte die durchgesetzte Luftmasse groß sein und die Luftausstoßgeschwindigkeit dafür etwas geringer, da das mehr Schub und weniger Verluste bringt. Die Anpassung der einzelnen Teile des Triebwerks zueinander muß über eine entsprechende elektronische Steuerung betrieben werden.

Es wäre außerdem notwendig, entsprechende Versuche zu machen, welche Einstellungen das Kaltluftsystem bei unterschiedlichen Fluggeschwin­ digkeiten und Auslastungsgraden des Triebwerks haben muß. Diese unterschiedlichen Zustände werden über das Programm in der Elektronik gesteuert. Vor Beginn des eigentlichen gleichförmigen Brennrohres kann eine konische Verengung verwendet werden, um die Luft vor Eintritt in das Brennrohr etwas beschleunigen zu können.

Für den Verdichterantrieb sollten am besten Kolbenverbrennungsmotoren verwendet werden, da bei ihnen der Wirkungsgrad höher ist als bei Arbeitsturbinentriebwerken (Turboprobtriebwerk). Aber auch Arbeits­ turbinentriebwerke würden sich als Verdichterantrieb verwenden lassen. Der Verdichter sollte zweistufig ausgeführt werden, und zwar als Turbinenvorverdichter und als Kolben Hochdruckverdichter. So daß sich die entsprechenden Arbeitsdrücke von 50 bis 150 at. erreichen lassen. Durch die entsprechende Vorverdichtung erreicht der Hochdruckverdich­ ter eine hohe Literleistung bei geringem Gewicht.

Das Brennrohr soll zwar unbedingt gleichförmig im Querschnitt sein, aber vor dem Brennroher kann eine konische Verengung verwendet wer­ den, um die verdichtete Luft auf die nötige Geschwindigkeit zum Brenn­ rohr hin beschleunigen zu können.

Das Brennrohr sollte möglichst nicht gekühlt werden, da Wärmeverluste ganz weitreichend vermieden werden sollen. Das Brennrohr könnte man eventuell aus einem hochhitzefestem Material wie Wolfram bauen. Eigentlich sollte Wolfram als Brennkammermaterial, mindestens in der Brennzone, verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1 Verdichterantrieb,
2 Hochdruckverdichter,
3 Zuführrohr,
4 Einspritzanlage,
5 Brennrohr,
6 Kaltluftdosierturbine,
7 Kaltluftzuführrohr,
8 verstellbares Kaltluftbeschleunigungsrohr,
9 Vorverdichter,
10 Einspritzdüse.

Claims (1)

1. Strahltriebwerk mit einem Verdichterantrieb, insbesondere Verbrennungsmotor, zum Antrieb eines insbesondere aus Tur­ binenvorverdichter und Kolbenhochdruckverdichter bestehen­ den Verdichters und zur Hochdruckeinleitung von Umgebungs­ luft in ein im Querschnitt gleichförmiges Brennrohr, wobei hinter der Einführungsöffnung des Brennrohrs Kraftstoff zu­ geführt wird und sich hinter dieser Kraftstoffzuführung ein Brennbereich anschließt, hinter welchem sich ein Ent­ spannungsbereich zur Entspannung der Gase anschließt, wobei aufgrund der Bewegungsenergie des heißen ausgestoßenen Luftstroms durch die mittels einem Luftbeschleunigungs­ system zugeführte Luft eine Schub- und Wirkungsgradver­ besserung erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß

   • - Kaltluft zugeführt wird
   • - eine Kaltluftdosierturbine zur Dosierung der zu­ geführten Menge an Kaltluft verwendet wird sowie
   • - die zugeführte Kaltluft in ein im Querschnitt verstellbares Kaltluftbeschleunigungsrohr einge­ führt wird.