WO2017050752A1 - Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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WO2017050752A1
WO2017050752A1 PCT/EP2016/072286 EP2016072286W WO2017050752A1 WO 2017050752 A1 WO2017050752 A1 WO 2017050752A1 EP 2016072286 W EP2016072286 W EP 2016072286W WO 2017050752 A1 WO2017050752 A1 WO 2017050752A1
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WO
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steam
internal combustion
combustion engine
rotor
engine according
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/072286
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alojz Ferlan
Original Assignee
LL Consulio d.o.o.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by LL Consulio d.o.o. filed Critical LL Consulio d.o.o.
Publication of WO2017050752A1 publication Critical patent/WO2017050752A1/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F01K21/04—Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas
    • F01K21/045—Introducing gas and steam separately into the motor, e.g. admission to a single rotor through separate nozzles

Definitions

  • the present invention relates to a
  • Internal combustion engine in combined gas / steam turbine construction comprising a housing, a rotatably mounted therein, at least two rows on its circumference
  • Combustion chamber / steam generator unit which acts on the at least one gas side of the rotor with hot gas and the at least one steam side of the rotor with steam.
  • Internal combustion engines are in the two basic constructions as a displacement engine (usually referred to as engine) and as a turbomachine
  • turbomachinery combustion engines include, in particular, gas turbines in all their forms.
  • GB 1432897 Gas / steam turbine construction is known from GB 1432897.
  • GB 2255808 A discloses a compact turbine suitable for operation with steam in an attached steam generator is generated, which is the turbine
  • the rotor has a blading on its circumference, to which the working fluid (steam and / or gas) flowing in the rotor in a tangential direction at substantially high velocity is directed.
  • the present invention is directed to a
  • Combustor / steam generator unit is disposed adjacent to the circumference of the rotor and both the steam outlet and the gas outlet of the combustor / steam generator unit for direct impingement of the respective side of the rotor in close proximity to this open. This results in a particularly compact
  • the combustion chamber / steam generator unit forms a
  • Combustion chamber / steam generator unit in this minimize the weight of the internal combustion engine. This can thus be characterized in the case of this development by a particularly favorable power to weight ratio.
  • the combustion chamber / steam generator unit has a curved about the axis of rotation, arcuate combustion chamber. Again, this is advantageous in terms of particularly small external dimensions in terms of a particularly compact design. In addition, this favors the control of occurring thermal stresses. The latter is especially true when the combustion chamber extends in the circumferential direction over at least 180 °, preferably over at least 270 °.
  • the fuel supply is arranged in the region of one end of the arcuate combustion chamber and the gas outlet in the region of the opposite end.
  • the combustion chamber is limited by walls in the internal combustion engine according to the invention, which by projections and / or
  • Combustion chamber has outside surrounding steam generating chamber.
  • the combustion chamber and the steam generating chamber are in the interest of particularly high thermal efficiency as well
  • Combustion chamber (see above) is also - the combustion chamber annular (or tubular) surrounding - steam generating chamber preferably arcuately executed by having a curved around the axis of rotation of the rotor around course. It is particularly preferred that the water supply in the region of one end of the arcuate steam generating chamber
  • Combustion chamber is considered, it is under
  • Fuel pulsed in the combustion chamber / steam generator unit injecting injection unit provided. It is further particularly preferred in the combustion chamber a intermittently actuated, spark generating spark generator arranged, the times of the
  • a closed water / steam cycle is provided with a condensation heat exchanger and a feedwater pump.
  • the feedwater pump is particularly preferably designed for an intermittent, pulsating injection of water into the steam generating chamber. The resulting repetitive sudden generation of steam results in particularly high
  • the steam side and the gas side of the rotor are preferably arranged on the outermost circumference of the rotor, and particularly preferably immediately adjacent to each other only separated by a partition from each other.
  • the rotor comprises a rotor disk having the blading and an output shaft.
  • the rotor disk is designed in the form of a flywheel. This is favorable for a sufficiently uniform output speed, even with pulsed combustion and / or pulsed steaming (see above).
  • a function as a flywheel In the interest of a function as a flywheel
  • the diameter of the rotor disk is at least 4 times as large as its axial width.
  • the rotor in this case on both sides, symmetrically to the rotor disk in the housing, which particularly preferably a Statortopf and a
  • Stator cover includes, is stored.
  • Such symmetrical mounting allows, without this leading to detrimental or inadmissibly high imbalances, particularly high temperatures of the rotor acting on the working media. This, in turn, is an aspect of particular importance for high efficiency.
  • the present invention is subject to no restrictions, nor to the nature of the oxidizing agent (air, oxygen, mixed gas). This results in the appropriate selection based on the specific conditions of use of and
  • FIG. 2 shows a section through the internal combustion engine according to FIG. 1 along the line A-A (FIG. 1), FIG.
  • Fig. 3 is a section through the internal combustion engine according to Figures 1 and 2 along the line B-B
  • FIG. 4 shows a section through the internal combustion engine according to the figures 1 to 3 along the line Bl-Bl (Fig. 2),
  • FIG. 5 shows a section through the internal combustion engine according to the figures 1 to 4 along the line B2-B2 (Fig. 2),
  • FIG. 6 is a perspective view of the rotor disk of
  • Fig. 10 is a further axial section through the
  • FIG. 11 shows a section through the internal combustion engine according to FIGS. 1 to 10 along the line E-E (FIG. 10),
  • Fig. 12 shows the inner ring of the combustion chamber / steam generator unit of the internal combustion engine according to Figures 1 to 11 in side view and
  • Fig. 13 is an axial section along the line X-X through the
  • the combined gas / steam turbine engine shown in the drawing comprises as
  • the housing 1 comprises a Statortopf 4 and a
  • Statortopfes 4 and a stator 5 are air bearings 7 are added, in which a shaft 8 of the rotor 2 is rotatably mounted. With the shaft 8 of the rotor 2, the running in the form of a flywheel rotor disk 9 is rotatably connected. This is double-row bladed at its periphery by a gas-side blading 10 and a
  • the flywheel rotor 2 is outside, adjacent to its periphery surrounded by the combustion chamber / steam generator unit 3. This comprises two lateral combustion chamber wall rings 12, 13, a middle ring 14 arranged between them and one
  • Inner ring 15 In the middle ring 14, extending over about 270 ° arcuately about the axis 16 around, a
  • Recess 17 is provided, which together with the two Brennschwandungsringen 12 and 13 a to the
  • Rotary axis 16 around curved combustion chamber 18 defined. This is open at its one end radially inward so that it with the provided in the inner ring 15, on the gas side blading 10 of the flywheel rotor second
  • directed gas outlet 19 communicates.
  • a fuel inlet 20 On the input side, d. H. in the region of the end opposite the opening, a fuel inlet 20, an inlet 21 for oxidizing agent and a spark plug 22 open into the combustion chamber.
  • the package of the center ring 14 and the two side Brennschdungsringen 12 and 13 is surrounded by a ring or hose-shaped steam generating chamber 23. This also extends, arcuately executed around the axis 16 around, over about 270 °. On the outside is the
  • a water inlet 26 opens into the steam generating chamber 23.
  • the inner ring 15 has, as part of the separation of gas side and steam side, radially inward a circumferential, with the
  • the combustion chamber 18 radially outward and radially inward
  • delimiting, executed in the intermediate ring 14 walls are profiled by projections 32 and recesses 33.
  • the engine may use oxygen as the oxidant. It is about a tangential, centrally driven "rotating motor", without non-balanced masses with constant or variable angular velocity.
  • the internal combustion engine uses the energy of the detonation of fuel, the energy of the vapor stream, and, if necessary, the kinetic energy
  • the internal combustion engine is more ecological, thanks to the lower weight and the cleaner exhaust, works without lubrication or cooling oil or other lubricants and is more economical in terms of operation and maintenance.
  • the technical implementation of the present invention is the structure of the internal combustion engine with output over a shaft on which the flywheel with blades attached in two lines (blading) on the circumference of the
  • the flywheel is on the right side over wings / blades by means of pulsed current from
  • the shaft can be driven by stored rotational kinetic energy from the flywheel during engine operation and in the "sailing" regime.
  • Internal combustion engine may also have a plurality of combustion chambers or combustion chamber / steam generator units and may accordingly also have more than two sections of leaves and rows of leaves on the circumference of the flywheel.
  • Pipe combustion chamber a mixture of fuel and air or a mixture of fuel and oxygen or a mixture of fuel and oxygen-enriched air, with the help of a spark, exploded. Thanks to the invention is due to the recesses and projections on the inner wall of the
  • bent tube combustion chamber reaches a greater flow turbulence of the mixture of fuel and oxidant and the resulting flue. Due to the bending of the chamber subsonic and
  • Fuel combustion in the bent tube combustion chamber uses heat generated. This heat heats or overheats the water vapor surrounding the combustion chamber and a
  • This energy is used for example in energy recovery in a hybrid vehicle or when properly
  • the internal combustion engine comprises a shaft with a flywheel with blades / blades arranged in two
  • Air bearings are less sensitive to temperature and allow a higher working temperature of the engine than conventional ones
  • the internal combustion engine further includes a stator cover and a stator pot with screws, a fuel injector, an oxygen or air injector, a water injector, and a spark plug.
  • Stator and rotor are preferably both made of the same material, made of temperature-resistant high-strength steel and therefore have the same thermal expansion. Apart from two bearings on the shaft, there are no moving parts on the engine where lubricants - engine oil or similar. - would be necessary. Thus, the motor can be operated at higher operating temperatures - has better thermal efficiency. By the possibility of using oxygen as
  • Oxidant it is achieved that there are no nitrogen oxides in the burned gas - NOx, regardless of the type of fuel: gas oil, gasoline, natural gas, and biofuel. Since in this case the engine cca. 79% of the nitrogen from the air is not accumulated. For this reason, the Engine compartment, the weight and temperature better than that used in a conventional internal combustion engine
  • the injected into the steam chamber water extracts heat or cools the curved tube combustion chamber and due to the
  • the duty cycle of the internal combustion engine is implemented in the manner where the oxidant injector (oxygen, oxygen-enriched air or air) injects a suitable amount of oxidant into the arcuate tube combustor. Shortly thereafter injected the oxidant injector (oxygen, oxygen-enriched air or air)
  • Fuel injector in the same chamber a suitable amount of fuel.
  • the spark plug triggers a spark, and the mixture of fuel and
  • Oxidizing agent is ignited.
  • the flame front and the shock wave cause due to recesses and
  • the water injector injects into the curved one

Abstract

Eine Verbrennungskraftmaschine in kombinierter Gas/Dampf- Turbinenbauweise umfasst ein Gehäuse (1), einen darin drehbar gelagerten, an seinem Umfang mindestens zweireihig beschaufelten Rotor (2) mit mindestens einer Gasseite und mindestens einer Dampfseite und eine Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3). Diese beaufschlagt die mindestens eine Gasseite des Rotors mit heißem Gas und die mindestens eine Dampfseite des Rotors mit Dampf. Dabei ist die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) benachbart zum Umfang des Rotors (2) angeordnet; und sowohl der Dampfaustritt (25) als auch der Gasaustritt (19) der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) münden für eine direkte Beaufschlagung der jeweiligen Seite des Rotors (2) in unmittelbarer Nachbarschaft zu diesem.

Description

Verbrennungskraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Verbrennungskraftmaschine in kombinierter Gas/Dampf- Turbinenbauweise, umfassend ein Gehäuse, einen darin drehbar gelagerten, an seinem Umfang mindestens zweireihig
beschaufelten Rotor mit mindestens einer Gasseite und
mindestens einer Dampfseite und eine
Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit, welche die mindestens eine Gasseite des Rotors mit heißem Gas und die mindestens eine Dampfseite des Rotors mit Dampf beaufschlagt.
Verbrennungskraftmaschinen sind in den beiden grundsätzlichen Bauweisen als Verdrängungskraftmaschine (üblicherweise als Motor bezeichnet) und als Strömungskraftmaschine
(üblicherweise als Turbine bezeichnet) bekannt. Zu den
Verbrennungskraftmaschinen in Motorenbauweise zählen
insbesondere sämtliche Hubkolbenmotoren in all ihren
Ausgestaltungen. Und zu den Verbrennungskraftmaschinen in Turbinenbauweise zählen insbesondere Gasturbinen in all ihren Ausgestaltungen. Eine Sonderform der
Verbrennungskraftmaschinen in Turbinenbauweise bilden
Verbrennungskraftmaschine in kombinierter Gas/Dampf- Turbinenbauweise, bei denen der Rotor sowohl mit - durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einer Brennkammer erzeugtem
- heißem Gas als auch mit - in einem Dampferzeuger erzeugtem
- Dampf (typischerweise Wasserdampf) beaufschlagt wird.
Eine gattungsgemäße, die einleitend angegebenen Merkmale aufweisende Verbrennungskraftmaschine in kombinierter
Gas/Dampf-Turbinenbauweise ist aus der GB 1432897 bekannt. Die GB 2255808 A offenbart eine Kompakt-Turbine, die für den Betrieb mit Dampf, der in einem angeschlossenen Dampferzeuger erzeugt wird, konzipiert ist, wobei sich die Turbine
alternativ aber auch - durch Beaufschlagung des Rotors mit diesen - mit Verbrennungsabgasen betreiben lassen soll.
Jeweils weist der Rotor an seinem Umfang eine Beschaufelung auf, auf welche das den Rotor im Wesentlichen in tangentialer Richtung mit hoher Geschwindigkeit anströmende Arbeitsfluid (Dampf und/oder Gas) gerichtet ist.
Im Lichte des vorstehend dargelegten Standes der Technik ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, eine
Verbrennungskraftmaschine in kombinierter Gas/Dampf- Turbinenbauweise der einleitend definierten Art
bereitzustellen, die sich bei hoher Wirtschaftlichkeit und energetischer Effizienz durch besonders kompakte Abmessungen aus zeichnet .
Gelöst wird diese Aufgabenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung, indem bei einer Verbrennungskraftmaschine in kombinierter Gas/Dampf-Turbinenbauweise die
Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit benachbart zum Umfang des Rotors angeordnet ist und sowohl der Dampfaustritt als auch der Gasaustritt der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit für eine direkte Beaufschlagung der jeweiligen Seite des Rotors in unmittelbarer Nachbarschaft zu diesem münden. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders kompakte
Verbrennungskraftmaschine, welche sich - aufgrund der
Minimierung von Verlusten - zudem durch ein besonders hohes Effizienz-Potential auszeichnet. Die erfindungsgemäße
räumliche Anordnung der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit resultiert im Übrigen in besonders günstigen thermischen Verhältnissen, was sich positiv auswirkt auf die mechanischen Belastungen und somit auf die Lebensdauer und
Zuverlässigkeit . Gemäß einer ersten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung bildet die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit einen
strukturellen Bestandteil des Gehäuses. In diesem Falle ergibt sich ein ganz besonders hohes Maß an Kompaktheit der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine. Zudem lässt sich über die Zuweisung einer zusätzlichen Funktion zu dem
Gehäuse, nämlich der integrierten Unterbringung der
Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit in dieses, das Gewicht der Verbrennungskraftmaschine minimieren. Diese kann sich somit im falle dieser Weiterbildung durch ein besonders günstiges Leistungsgewicht auszeichnen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit einen um die Rotationsachse herum gekrümmten, bogenförmigen Brennraum auf. Auch dies ist wiederum vorteilhaft im Hinblick auf besonders geringe äußere Abmessungen im Sinne einer besonders kompakten Bauweise. Zudem begünstigt dies die Beherrschung auftretender thermischer Spannungen. Letzteres gilt ganz besonders dann, wenn sich der Brennraum in Umfangsrichtung über zumindest 180°, bevorzugt über zumindest 270° erstreckt. Dabei ist die Brennstoffzufuhr im Bereich des einen Endes der bogenförmigen Brennkammer angeordnet und der Gasaustritt im Bereich des gegenüberliegenden Endes.
In nochmals anderer bevorzugter Weiterbildung ist bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine der Brennraum durch Wände begrenzt, welche durch Vorsprünge und/oder
Vertiefungen profiliert sind. Auf diese Weise ergeben sich innerhalb der Brennkammer Turbulenzen von solcher Art, dass sowohl der Verbrennungsprozess als auch die Wärmeübertragung auf die Brennkammerwandung davon profitiert. Letzteres ist namentlich dann von ganz besonderem Vorteil, wenn - gemäß einer wiederum anderen Weiterbildung der Erfindung - die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit eine ringförmige, die
Brennkammer außen umgebende Dampferzeugungskammer aufweist. Die Brennkammer und die Dampferzeugungskammer sind dabei, im Interesse besonders hoher thermischer Effizienz sowie
geringer thermischer Spannungen, durch eine gemeinsame
Wandung begrenzt; diese weist besonders bevorzugt auf ihrer - der Dampferzeugungskammer zugewandten - Außenseite Rippen auf, um für eine besonders effiziente Dampfbildung sowie Dampfüberhitzung zu sorgen.
Entsprechend dem bevorzugt bogenförmigen, um die
Rotationsachse des Rotors herum gekrümmten Verlauf der
Brennkammer (s. o.) ist auch die - die Brennkammer ringförmig (bzw. schlauchförmig) umgebende - Dampferzeugungskammer bevorzugt bogenförmig ausgeführt, indem sie einen um die Rotationsachse des Rotors herum gekrümmten Verlauf aufweist. Dabei ist besonders bevorzugt die Wasserzufuhr im Bereich des einen Endes der bogenförmigen Dampferzeugungskammer
angeordnet und der Dampfaustritt im Bereich des
gegenüberliegenden Endes. Auf dem Strömungsweg von der
Wasserzufuhr zum Dampfaustritt erfährt der Dampf aufgrund der zunehmenden Überhitzung eine progressive Beschleunigung, so dass sich eine besonders hohe, die Leistungsabgabe der
Verbrennungskraftmaschine begünstigende
Austrittsgeschwindigkeit des Dampfes aus der
Dampferzeugungskammer im Bereich des Dampfaustritts ergibt.
Während im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchaus eine kontinuierliche Verbrennung des Brennstoffes in der
Brennkammer in Betracht kommt, so ist doch unter
Gesichtspunkten der Effizienz besonders bevorzugt eine
Brennstoff pulsierend in die Brennkammer/Dampferzeuger- Einheit injizierende Einspritzeinheit vorgesehen. Dabei ist weiterhin besonders bevorzugt in der Brennkammer ein intermittierend betätigter, Zündfunken erzeugender Funkengenerator angeordnet, wobei die Zeitpunkte der
Brennstoffeinspritzung und der Zündfunkenerzeugung
aufeinander abgestimmt sind.
Gemäß einer abermals anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein geschlossener Wasser/Dampf-Kreislauf mit einem Kondensationswärmetauscher und einer Speisewasserpumpe vorgesehen ist. Die Speisewasserpumpe ist dabei besonders bevorzugt für eine intermittierende, pulsierende Injektion von Wasser in die Dampferzeugungskammer ausgeführt. Die hierdurch mögliche repetierend schlagartige Erzeugung von Dampfmengen resultiert in besonders hohen
Austrittsgeschwindigkeiten des gepulsten Dampfes aus der Dampferzeugungskammer mit dementsprechend hohen auf den Rotor wirkenden Impulsen. Hierdurch lässt sich günstig auf die Effizienz der Verbrennungskraftmaschine einwirken.
Im Interesse eine hohen Drehmoments sind die Dampfseite und die Gasseite des Rotors bevorzugt am äußersten Umfang des Rotors angeordnet, und zwar besonders bevorzugt unmittelbar benachbart zueinander nur durch eine Trennwand voneinander einander getrennt.
In baulicher Hinsicht ist besonders günstig, wenn der Rotor eine die Beschaufelung aufweisende Rotorscheibe und eine Abtriebswelle umfasst. Die Rotorscheibe ist dabei in Form eines Schwungrades ausgeführt. Dies ist für eine auch bei gepulster Verbrennung und/oder gepulster Dampfbeaufschlagung (s. o.) hinreichend gleichförmige Abtriebsdrehzahl günstig. Im Interesse einer die Funktion als Schwungrad
unterstützenden Massenverteilung ist dabei vorteilhaft, wenn der Durchmesser der Rotorscheibe mindestens 4-fach so groß ist wie deren axiale Breite. Unter statischen und dynamischen Gesichtspunkten ist
weiterhin besonders vorteilhaft, wenn der Rotor dabei beidseitig, symmetrisch zur Rotorscheibe in dem Gehäuse, welches besonders bevorzugt einen Statortopf und einen
Statordeckel umfasst, gelagert ist. Eine solche symmetrische Lagerung erlaubt, ohne dass dies zu nachteiligen bzw. zu unzulässig hohen Unwuchten führt, besonders hohe Temperaturen der den Rotor beaufschlagenden Arbeitsmedien. Dies ist hinwiederum ein Gesichtspunkt von besonderer Bedeutung für eine hohe Effizienz. Namentlich im Hinblick auf eben jene besonders hohen Arbeits- und Betriebstemperaturen sind für Lagerung des Rotors besonders bevorzugt Luftdrucklager vorgesehen .
Hinsichtlich der Art des Brennstoffs (flüssig, gasförmig) unterliegt die vorliegende Erfindung keinen Einschränkungen, ebenso wenig hinsichtlich der Art des Oxidationsmittels (Luft, Sauerstoff, Mischgas) . Hier ergibt sich die geeignete Auswahl anhand der konkreten Einsatzbedingungen des und
Anforderungen an die Verbrennungskraftmaschine.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines in der Zeichnung detailliert veranschaulichten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf die Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Verbrennungskraftmaschine gemäß Fig. 1 entlang der Linie A-A (Fig. 1),
Fig. 3 einen Schnitt durch die Verbrennungskraftmaschine gemäß den Figuren 1 und 2 entlang der Linie B-B
(Fig. 2),
Fig. 4 einen Schnitt durch die Verbrennungskraftmaschine gemäß den Figuren 1 bis 3 entlang der Linie Bl-Bl (Fig. 2),
Fig. 5 einen Schnitt durch die Verbrennungskraftmaschine gemäß den Figuren 1 bis 4 entlang der Linie B2-B2 (Fig. 2),
Fig. 6 in perspektivischer Ansicht die Rotorscheibe des
Rotors der Verbrennungskraftmaschine gemäß den Figuren 1 bis 5,
Fig. 7 in perspektivischer Ansicht die
Verbrennungskraftmaschine gemäß den Figuren 1 bis 6 von der Gasseite her bei weggebrochener Stirnwand des Statortopfes und entfernter gasseitiger
Brennkämmerwandung,
Fig. 8 in perspektivischer Ansicht die
Verbrennungskraftmaschine gemäß den Figuren 1 bis 7 von der Gasseite her bei weggebrochener Stirnwand des Statortopfes und eingesetzter gasseitiger
Brennkämmerwandung,
Fig. 9 in Draufsicht die gasseitige Brennkammerwandung,
Fig. 10 einen weiteren Axialschnitt durch die
Verbrennungskraftmaschine gemäß den Figuren 1 bis 9,
Fig. 11 einen Schnitt durch die Verbrennungskraftmaschine gemäß den Figuren 1 bis 10 entlang der Linie E-E (Fig. 10),
Fig. 12 den Innenring der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit der Verbrennungskraftmaschine gemäß den Figuren 1 bis 11 in Seitenansicht und
Fig. 13 einen Axialschnitt entlang der Linie X-X durch den
Innenring der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit nach Fig . 12.
Die in der Zeichnung gezeigte Verbrennungskraftmaschine in kombinierter Gas/Dampf-Turbinenbauweise umfasst als
Hauptkomponenten ein Gehäuse 1, einen darin drehbar gelagerten Rotor 2 und eine Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit 3. Das Gehäuse 1 umfasst einen Statortopf 4 und einen
Statordeckel 5. In jeweils einem Lagerflansch 6 des
Statortopfes 4 und einen Statordeckels 5 sind Luftlager 7 aufgenommen, in denen eine Welle 8 des Rotors 2 drehbar gelagert ist. Mit der Welle 8 des Rotors 2 ist die in Form eines Schwungrades ausgeführte Rotorscheibe 9 drehfest verbunden. Diese ist an ihrem Umfang zweireihig beschaufelt, indem sie eine gasseitige Beschaufelung 10 und eine
dampfseitige Beschaufelung 11 aufweist.
Der Schwungrad-Rotor 2 ist außen, benachbart zu seinem Umfang von der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit 3 umgeben. Diese umfasst zwei seitliche Brennkammerwandungsringe 12, 13, einen zwischen diesen angeordneten Mittelring 14 und einen
Innenring 15. In dem Mittelring 14 ist, sich über etwa 270° bogenförmig um die Achse 16 herum erstreckend, eine
Aussparung 17 vorgesehen, welche zusammen mit den beiden Brennkammerwandungsringen 12 und 13 einen um die
Rotationsachse 16 herum gekrümmten Brennraum 18 definiert. Dieser ist an seinem einem Ende nach radial innen hin offen, so dass er mit dem in dem Innenring 15 vorgesehenen, auf die gasseitige Beschaufelung 10 des Schwungrad-Rotors 2
gerichteten Gasauslass 19 kommuniziert. Eingangsseitig, d. h. im Bereich des der Öffnung gegenüberliegenden Endes münden in den Brennraum ein Brennstoffeinlass 20, ein Einlass 21 für Oxidationsmittel sowie eine Zündkerze 22.
Das Paket aus dem Mittelring 14 und den beiden seitlichen Brennkammerwandungsringen 12 und 13 ist von einer ring- bzw. schlauchförmigen Dampferzeugungskammer 23 umgeben. Auch diese erstreckt sich, bogenförmig um die Achse 16 herum ausgeführt, über etwa 270°. An den Außenseiten wird die
Dampferzeugungskammer 23 begrenzt durch den Statortopf 4, den Statordeckel 5 sowie den Innenring 15 der
Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit 3. In die
Dampferzeugungskammer 23 ragen außen an den beiden
Brennkammerwandungsringen 12 und 13 sowie dem Mittelring 14 vorgesehene Rippen 24 hinein. Auch die Dampferzeugungskammer 23 ist an ihrem einem Ende - über in den beiden
Brennkammerwandungsringen 12 und 13 bestehende
Durchtrittsschlitze 34 - nach radial innen hin offen, so dass sie mit dem in dem Innenring 15 vorgesehenen, auf die
dampfseitige Beschaufelung 11 des Schwungrad-Rotors 2
gerichteten Dampfauslass 25 kommuniziert. Eingangsseitig, d. h. im Bereich des der Öffnung gegenüberliegenden Endes mündet in die Dampferzeugungskammer 23 ein Wassereinlass 26.
Der Innenring 15 weist, als Teil der Trennung von Gasseite und Dampfseite, radial innen einen umlaufenden, mit der
Aussparung 27 zwischen der gasseitigen Beschaufelung 10 und der dampfseifigen Beschaufelung 11 fluchtenden Steg 28 auf, welcher eine die Dampfseite und die Gasseite des Rotors voneinander trennende Trennwand 29 bildet. Der Dampfström und der Abgasstrom verlassen das Gehäuse durch Ablassöffnungen 30 und 31, wobei - im Falle eines geschlossenen Wasser/Dampf- Kreislaufs - der Dampfstrom einem Kondensator zugeführt wird.
Die den Brennraum 18 radial außen und radial innen
begrenzenden, in dem Zwischenring 14 ausgeführten Wände sind durch Vorsprünge 32 und Vertiefungen 33 profiliert.
Weitere Gesichtspunkte ergeben sich aus den nachstehenden ergänzenden Erläuterungen wie folgt: Während der Verbrennung kann der Motor Sauerstoff als Oxidationsmittel verwenden. Es geht um einen tangential, mittig getriebenen "Drehmotor", ohne nicht-ausgewogenen Massen mit konstanter oder variabler Winkelgeschwindigkeit. Die Verbrennungskraftmaschine nutzt die Energie der Detonation von Kraftstoff, die Energie des Dampfstroms, und, falls erforderlich, die kinetische
Rotationsenergie, die in dem Schwungrad während der
Verbrennungskraftmaschine gespeichert ist. Die in dem
Schwungrad der Verbrennungskraftmaschine gespeicherte
kinetische Rotationsenergie kann in dem Regime "Segeln" ausgenutzt werden. Aufgrund der Konstruktion und des
Betriebs ist die Leistung der Verbrennungskraftmaschine hoch. Die Verbrennungskraftmaschine ist ökologischer, dank dem geringeren Gewicht und dem saubereren Auspuff, arbeitet ohne Schmierung- oder Kühlöl oder andere Gleitmittel und ist wirtschaftlicherer hinsichtlich des Betriebs und der Wartung.
Die technische Durchführung der vorliegenden Erfindung liegt im Aufbau der Verbrennungskraftmaschine mit Abtrieb über einer Welle, auf die das Schwungrad mit in zwei Linien befestigten Klingen (Beschaufelung) am Umfang des
Schwungrades befestigt ist. Die Welle wird über ein
Schwungrad getrieben. Das Schwungrad wird auf der rechten Seite über Flügel/Blätter mittels gepulstem Strom von
Abgasen aus einer gebogenen Rohr-Brennkammer angetrieben, und auf der linken Seite mittels Dampfstrom der Puls- Dampfexplosionen (oder mittels fast kontinuierlichen
Dampfströmen bei höheren Drehgeschwindigkeiten) aus
gebogener Dampfkammer, die das Gehäuse der gebogenen Rohr- Brennkammer umgibt. Falls erforderlich, kann die Welle durch gespeicherte kinetische Rotationsenergie aus dem Schwungrad während des Motorbetriebs und im Regime "Segeln" gefahren werden. Am Umfang des Stators kann die
Verbrennungskraftmaschine ggf. auch mehrere Brennkammern bzw. Brennkammer/Dampferzeuger-Einheiten aufweisen und kann dementsprechend auch mehr als zwei Strecken von Blättern und Blätterreihen am Umfang des Schwungsrads aufweisen. Mit der Erfindung wird erreicht, dass in der gebogenen
Rohrbrennkammer ein Gemisch aus Brennstoff und Luft oder ein Gemisch aus Brennstoff und Sauerstoff oder ein Gemisch aus Brennstoff und mit Sauerstoff angereicherter Luft, mit Hilfe eines Funkens, explodiert. Dank der Erfindung wird aufgrund der Vertiefungen und Vorsprünge an der Innenwand der
gebogenen Rohr-Brennkammer eine größere Strömungsturbulenz des Gemisches aus Brennstoff und Oxidationsmittel und der daraus resultierenden Rauchgasse erreicht. Aufgrund von der Biegung der Kammer wird Unterschall- und
Detonationsverbrennung bzw. Explosion erreicht. Aufgrund von dieser Explosion wird ein Hochdruck erzeugt, der die
entstandenen Rauchgasse mit einer hohen Geschwindigkeit und einem hohen Druck durch die Öffnung am Ende der gebogenen Rohr-Verbrennungskammer drückt. Die Öffnung der gebogenen Rohr-Verbrennungskammer wird in den rechten Teil der
Flügel/Blätter des Schwungrads - in der Richtung der Rotor- Drehrichtung gesehen - geführt. Die entstandenen Rauchgasse werden unter hohem Druck auf den rechten Teil der
Flügel/Blätter des Schwungrads gedrückt, drehen dadurch das Schwungrad und folglich auch die Welle.
Durch das bevorstehend Beschriebene wird erreicht, dass die Verbrennungskraftmaschine gleichzeitig die bei der
KraftstoffVerbrennung in der gebogenen Rohr-Brennkammer erzeugte Wärme ausnutzt. Diese Wärme erwärmt bzw. überhitzt den Wasserdampf, der die Brennkammer umgibt und einen
Dampfström und gepulste Dampfexplosionen schafft. Am Ende der gebogenen Dampfkammer ist eine Öffnung, durch die der Dampfstrom aus den gepulsten Dampfexplosionen über diese Öffnung auf den linken Teil der Flügel des Schwungrades - in der Drehrichtung des Rotors gesehen - geleitet wird. Dem Rotor wird dadurch zusätzlicher Drehimpuls hinzugefügt. Vorzugsweise können wir auch die kinetische Rotationsenergie des Rotors ausnutzen, das eine ausreichende Masse und
dementsprechend entsprechendes Haltevermögen haben soll.
Diese Energie wird zum Beispiel bei der Energierückgewinnung in einem Hybridfahrzeug oder beim ordnungsgemäßen
Funktionieren des Motors und in Betriebsart "Segeln"
gebraucht .
Die Verbrennungskraftmaschine umfasst eine Welle mit einem Schwungrad mit Flügeln/Blättern angeordnet in zwei
Linien/Strecken am Umfang und einen Stator, in dem am Umfang eine gebogene Brennkammer und um diese eine gebogene
Dampfkammer angeordnet sind. Auf beiden Seiten des Stators in der Mitte befinden sich zwei Luftdrucklager. Luftdrucklager sind weniger temperaturempfindlich und ermöglichen eine höhere Arbeitstemperatur des Motors als herkömmliche
Kugellager. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst weiter einen Statordeckel und einem Statortopf mit Schrauben, einem Injektor für Kraftstoff, Injektor für Sauerstoff oder Luft, einem Injektor für Wasser und einer Zündkerze.
Stator und Rotor sind bevorzugt beide aus gleichem Material, aus temperaturmäßig hochbeständigem Stahl gefertigt und weisen deshalb gleiche thermische Dehnung aus. Außer von zwei Lager auf der Welle gibt es am Motor keine untereinander beweglichen Teile wo Schmiermittel - Motoröl o.a. - nötig wäre. Somit kann der Motor bei höheren Betriebstemperaturen betrieben werden - hat bessere thermische Effizienz. Durch die Möglichkeit der Verwendung von Sauerstoff als
Oxidationsmittel , wird erreicht, dass es im verbrannten Gas keine Stickoxide gibt - NOx, unabhängig von der Art des Brennstoffs: Gasöl, Benzin, Erdgas, und Bio-Kraftstoff. Da in diesem Fall der Motor cca. 79% des Stickstoffs aus dem Luft nicht akkumuliert. Aus diesem Grunde werden der Motorraum, das Gewicht und die Temperatur besser als bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor genutzt
Das in die Dampfkammer einspritzte Wasser entzieht Wärme bzw. kühlt die gebogene Rohr-Brennkammer und aufgrund der
entzogenen Wärmeenergie erzeugt Dampf und überhitzten Dampf und Dampfexplosionen unmittelbar vor den Schwungrad-Blättern auf eine technisch unkomplizierte Art.
Der Arbeitszyklus der Verbrennungskraftmaschine ist in der Weise ausgeführt, wo der Injektor für das Oxidationsmittel (Sauerstoff, Sauerstoff-angereicherte Luft oder Luft) eine geeignete Menge an Oxidationsmittel in die gebogene Rohr- Brennkammer einspritzt. Kurz danach spritzt die
Kraftstoffeinspritzvorrichtung in die gleiche Kammer eine geeignete Menge an Kraftstoff ein. Die Zündkerze löst einen Funken aus, und das Gemisch aus Brennstoff und
Oxidationsmittel wird entzündet. Die Flammenfront und die Stoßwelle verursachen aufgrund von Ausnehmungen und
Vorsprüngen und aufgrund der gebogenen Brennkammer eine starke und schnelle turbulente Bewegung bzw. Deflagrations- Detonationsverbrennung, wobei die Rauchgasse durch eine
Öffnung am Ende der gebogenen Rohr-Kammer auf dem rechten Teil der Blätter, die am Umfang des Schwungrades befestigt sind, geschoben werden und den Schwungrad und somit auch die Welle des Motors drehen. Die Rauchgasse leisten auf der rechten Seite der Blätter die Arbeit und werden durch die Abgasleitung abgeführt, der Arbeitstakt ist gepulst und repetierend. Parallel zu dem Arbeitstakt erfolgt der
Dampftakt. Der Wasserinjektor spritzt in die gebogene
Dampfkammer eine entsprechende Menge an Wasser ein. Aufgrund von hoher Betriebstemperatur der gebogenen Brennkammer verdampft das Wasser schnell. Aufgrund von hohen Temperatur- und Druckänderungen, und aufgrund von hoher Dichte kommt es zu der Dampfexplosion, die einen starken Dampfstrom
verursacht, der durch die DampfÖffnungen am Ende der
Dampfkammer geführt ist, und betreibt das linke Teil der Blätter des Schwungrads der weiter die Motorwelle dreht. Die Arbeitstakte sind gepulst und repetierend. Nach der
geleisteten Arbeit auf der linken Seite der Blätter verlässt der Dampf die Blätter des Schwungrads durch die
Dampfaustrittsöffnung . Während des Betriebs nutzt der Motor bei Bedarf die in dem Schwungrad des Motors gespeicherte kinetische Energie aus; dadurch wird die Frequenz des
Einfüllens des Brennstoffs, des Sauerstoffs und des Wassers reduziert. Der Kraftstoff erbrauch und die Emissionen sind dadurch reduziert, folglich hat der Motor eine höhere
Gesamteffizienz .

Claims

Ansprüche
1. Verbrennungskraftmaschine in kombinierter Gas/Dampf- Turbinenbauweise, umfassend ein Gehäuse (1), einen darin drehbar gelagerten, an seinem Umfang mindestens
zweireihig beschaufelten Rotor (2) mit mindestens einer Gasseite und mindestens einer Dampfseite und eine
Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) , welche die mindestens eine Gasseite des Rotors mit heißem Gas und die mindestens eine Dampfseite des Rotors mit Dampf beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) benachbart zum Umfang des Rotors (2) angeordnet ist und sowohl der Dampfaustritt (25) als auch der Gasaustritt (19) der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) für eine direkte Beaufschlagung der jeweiligen Seite des Rotors (2) in unmittelbarer Nachbarschaft zu diesem münden.
2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Brennkammer/Dampferzeuger- Einheit (3) einen strukturellen Bestandteil des Gehäuses (1) bildet.
3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) einen um die
Rotationsachse (16) herum gekrümmten Brennraum (18) aufweist .
4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass sich der Brennraum (18) in
Umfangsrichtung über zumindest 180°, bevorzugt über zumindest 270° erstreckt. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (18) durch Wände begrenzt ist, welche durch Vorsprünge (32) und/oder Vertiefungen (33) profiliert sind.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) eine ringförmige, die Brennkammer außen umgebende Dampferzeugungskammer (23) aufweist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennstoff
pulsierend in die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) injizierende Einspritzeinheit vorgesehen ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Brennraum (18) ein intermittierend betätigter Funkengenerator
angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein geschlossener
Wasser/Dampf-Kreislauf mit einem
Kondensationswärmetauscher und einer Speisewasserpumpe vorgesehen ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisewasserpumpe für eine intermittierende, pulsierende Injektion von Wasser in die Dampferzeugungskammer ausgeführt ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfseite und die Gasseite des Rotors (2) durch eine Trennwand (29) voneinander einander getrennt unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind.
12. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) eine die Beschaufelung aufweisende Rotorscheibe (9) und eine Abtriebswelle (8) umfasst.
13. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe (9) in Form eines Schwungrades ausgeführt ist mit einem Durchmesser, der mindestens 4-fach so groß ist wie die axiale Breite.
14. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 12 oder Anspruch
13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2)
symmetrisch zur Rotorscheibe (9) in dem Gehäuse (1) gelagert ist.
15. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis
14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerung des Rotors dienende Luftdrucklager (7) vorgesehen sind.
16. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis
15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) einen Statortopf (4) und einen Statordeckel (5) umfasst.
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