DE102007022830A1

DE102007022830A1 - Anordnung eines Kernstromtriebwerkes und Verfahren zum Betrieb desselben mittels gasförmiger Treibstoffe

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Publication number: DE102007022830A1
Application number: DE200710022830
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2008-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, vermittels dessen durch die explosionsartige Zündung von flüssigen und gasförmigen Treibstoffen in konzentrisch auf einem Stator angeordneten geschlossenen Brennkammern ein axial wirkender Gasschubstrom erzeugt wird. Gleichzeitig werden durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Zellflügelrades Rotationsimpulse auf einen Rotor übertragen, wodurch dieser in axiale Umdrehungen versetzt wird. Dabei wird ein entsprechendes Drehmoment auf der Abtriebswelle bereitgestellt. Dabei übernimmt das Zellflügelrad, das nach dem Prinzip eines Kammerpropellers aufgebaut ist, gleichzeitig die Funktion der Auslaßsteuerung der Treibgase/Abgase und über ein integriertes Drehschiebersystem auch die Einlaßsteuerung der Ladeluft. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Turbinenachse als Hohlwelle wird gleichzeitig als Pendant zur Mantelstromturbine eine Kernstromturbine geschaffen. Durch die Anordnung der tangential angeordneten und axial wirkenden Brennkammern kann im Gegensatz zur frei durchströmten Axialturbine insbesondere eine kontrollierte und präzise Dosierung und Regelbarkeit des Verbrennungsprozesses realisiert werden. Da der Abgasstrom bei Austritt aus dem Zellflügelrad in die Zellflügelrad-Hohlwelle hochenergetisch beaufschlagt ist, wird er, gemischt mit dem aus Anströmung der nach vorn offenen Hohlwel Kernstrom wirksam und erzeugt bei entsprechendem Massedurchsatz den erforderlichen Schub.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, vermittels dessen durch die explosionsartige Zündung von flüssigen und gasförmigen Treibstoffen in konzentrisch auf einem Stator angeordneten geschlossenen Brennkammern ein axial wirkender Gasschubstrom erzeugt wird. Gleichzeitig werden durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Zellflügelrades Rotationsimpulse auf einen Rotor übertragen, wodurch dieser in axiale Umdrehungen versetzt wird.
Dabei wird ein entsprechendes Drehmoment auf der Abtriebswelle bereitgestellt.
Die gasförmigen Treibstoffe können vorzugsweise aus einsatzüblichen vergasungsfähigen flüssigen Brennstoffen oder gasförmigen Brennstoffen für Verbrennungsmotoren und/oder Gasturbinen dargestellt werden.
Für den Antrieb von Luftfahrzeugen haben sich im Zuge der technischen Entwicklung 2 Kategorien von Verbrennungskraftmaschinen herausgebildet:
der Kolbenmotor und die Gasturbine.
Als Gasturbinen werden Axialgasturbinen eingesetzt, wobei unter Einschaltung eines Untersetzungsgetriebes Propeller gekoppelt werden können (Propellerturbinen-Luftstrahltriebwerk – PTL, sogenannte Turbopropantriebe).
Weiterhin wird zwischen Gleichdruck- und Gleichraumturbinen unterschieden, wobei wiederum Gasturbinen vorrangig als Gleichdruckturbinen ausgelegt sind (vgl. DE1023051 ). Dabei strömt der heiße Gasstrom ständig zum offenen Turbinenraum auf der Austrittsseite. Bei Gleichraumturbinen ist die Brennkammer gegenüber dem Turbolader durch Ventile abgeschlossen.
Die Treibstoffe werden der geschlossenen Brennkammer intermittierend zugeführt, dadurch entsteht ein höherer Verbrennungsdruck (Pulsionsantriebe). Eine Impulsturbine ist in DE 1007118 beschrieben. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades wird die erforderliche Verbrennungsluft über vorgeschaltete Turboverdichter komprimiert (Vgl. Urlaub-Flugtriebwerke-SPRINGER-Verlag 1995).
Eine spezifische Eigenschaft der Axialgasturbinen ist ihr hohes Schub-/Masse-Verhältnis. Dem steht ein hoher und nur bedingt regelbarer Treibstoffverbrauch gegenüber. Von gravierendem Nachteil ist eine eingeschränkte Möglichkeit der Lastregelung. Bei Unterschreitung einer definierten Mindestdrehzahl kommt es zu einem rapiden Leistungsabfall, was zur Folge hat, daß z. B. Strahlflugzeuge mit hohem potentiellem Schub landen müssen, da im Falle eines notwendigen Durchstartens ein Beschleunigen aus unteren Drehzahlbereichen zum Verlöschen der Turbine führen kann, z. B. Mantelstromturbine von Eurojet EJ 200 des Eurofighter.
Axialgasturbinen sind weiterhin nicht für Gegendruckleistungen geeignet, d. h. schon bei einem geringen Gegendruck auf der Auslaßseite neigen Axialgasturbinen ebenfalls zum Verlöschen, teilweise schon bei 500 mm WS (sogen. Pumpen, das bedeutet Abgasstau mit Rückschlag in den Brennraum). Dies erfordert beim Einsatz als Schubaggregat z. B. für hydropneumatische Schiffsantriebe nach dem Prinzip Wasserjetantrieb die Zwischenschaltung eines Turboverdichters mit entsprechender Reduzierung des Wirkungsgrades (vgl. Patentanmeldung Nr. 10019352.8-22 – Gasturbinenanordnung für Wasserfahrzeuge mit Hybridantrieb und Verfahren zu ihrer Erzeugung).
Bekannt sind hohe Aufwendungen für die Fertigung der filigranen Turbinenblätter bzw. der Einsatz hochfester Materialien bei gleichzeitig hohem Wartungsaufwand und relativ geringer Standzeit.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Impulsturbine zu schaffen, welche auf die Ventilsteuerung sowie ein aufwendiges System von Turbinenblättern verzichtet und statt dessen mit einem oder mehreren Zellflügelrädern arbeitet.
Dabei übernimmt das Zellflügelrad, das nach dem Prinzip eines Kammerpropellers aufgebaut ist, gleichzeitig die Funktion der Auslaßsteuerung der Treibgase/Abgase und über ein integriertes Drehschiebersystem auch die Einlaßsteuerung der Ladeluft.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Turbinenachse als Hohlwelle wird gleichzeitig als Pendant zur Mantelstromturbine eine Kernstromturbine geschaffen. Durch die Anordnung der tangential angeordneten und axial wirkenden Brennkammern kann im Gegensatz zur frei durchströmten Axialturbine insbesondere eine kontrollierte und präzise Dosierung und Regelbarkeit des Verbrennungsprozesses realisiert werden. Die als Kernstromtriebwerk arbeitende Turbine hebt sich grundsätzlich ab von den Konstruktionsprinzipien anderer Impulsturbinen mit intermittierender Verbrennung, z. B DE 3326985 .
Durch die elektronisch exakt auf den jeweiligen Leistungsbedarf abstimmbaren Parameter Ladeluftspeisung, Treibstoffzufuhr und Zündvorgang sind bei dem erfindungsgemäßen Kernstromtriebwerk gegenüber herkömmlichen Axialgasturbinen deutliche Einsparungen an Treibstoff zu erwarten.
Gleichzeitig ist eine äquivalente Senkung des CO2-Ausstoßes damit verbunden. Auch kann der Geräuschpegel deutlich abgesenkt werden, da die eigentlichen Verbrennungsvorgänge in von der Außenwelt abgeschlossenen Räumen erfolgt.
Als besondere Vorteile ergeben sich lange Standzeiten infolge kompakter Bauweise des Zellflügelrades sowie die Möglichkeit, durch den Abgasstrom einen Gegendruck aufzubauen. Dies bedeutet eine wirkungsvolle Bereitstellung eines hohen Drehmomentes auch bei niedrigen Drehzahlen. Gleichzeitig wird das bei Luftstrahltriebwerken gefürchtete Verlöschen ausgeschlossen (vgl. Schubert – Deutsche Triebwerke – Aviatic-Verlag 1999).
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe für das Verfahren zur Erzeugung eines Kernstromes dadurch gelöst, daß in einem Stator mindestens ein axial gelagertes Zellflügelrad angeordnet ist. Dabei werden konzentrisch auf dem Stator angeordnete Brennkammern von diesem Zellflügelrad überdeckt.
Diese Brennkammern erfahren durch das rotierende Zellflügelrad alternierend jeweils eine Abdeckung während des Zündvorganges und eine Öffnung während des Ausströmvorganges durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Zellflügelrades.
Die Brennkammern werden nach dem üblichen Verfahren bei Verbrennungsmotoren mit komprimierter Ladeluft gespeist, wobei gleichzeitig eine elektronische Treibstoffeinspritzung mit nachfolgender elektronischer Zündung dieses Gemisches erfolgt.
Der Abgasstrom erzeugt infolge seiner kinetischen Energie aus dem Explosionsdruck beim Anströmen der diagonalen, strömungstechnisch optimierten Zellflügel des Zellflügelrades eine Rotationsbewegung, wobei das Drehmoment auf der Abtriebswelle bereitgestellt wird. Dieses Drehmoment kann vorrangig zum Antrieb einer gekoppelten Luftschraube sowie betriebsnotwendiger Hilfsaggregate genutzt werden. Dabei fungiert das Zellflügelrad erfindungsgemäß als Drehschieber sowohl zur Einlaßsteuerung der Ladeluft als auch zur Auslaßsteuerung des Abgasstromes.
Nach Überströmen der diagonalen Zellflügel des Zellflügelrades gelangt der Abgasstrom durch innenliegende seitliche Abstromöffnungen in die Rotorhohlwelle. Die Anordnung des Aggregates für Zuführung der Ladeluft erfolgt seitlich der Brennkammern, wobei ein rotierender Steuerring am Zellflügelrad den Zustrom der komprimierten Verbrennungsluft intermittierend steuert.
Die Anordnung der Aggregate für Treibstoffeinspritzung und Zündung ist entsprechend der optimalen Gestaltung des Brennraumes in Abhängigkeit von der Geometrie der Brennräume auf dem Stator frei wählbar.
Da der Abgasstrom bei Austritt aus dem Zellflügelrad in die Zellflügelrad-Hohlwelle hochenergetisch beaufschlagt ist, wird er, gemischt mit dem aus Anströmung der nach vorn offenen Hohlwelle gebildeten axialen Luftstrom aus Staudruck, als Kernstrom wirksam und erzeugt bei entsprechendem Massedurchsatz den erforderlichen Schub.
Hierbei kann wahlweise eine niedrige Geschwindigkeit zum primären Betrieb einer Luftschraube oder eine hohe Rotationsgeschwindigkeit zur primären Erzeugung eines aktiven Massestromes bzw. eine optimale Antriebsvariante aus beiden Vortriebswirkungen gefahren werden. Dabei wirkt das Kernstromtriebwerk mit gekoppeltem Propeller als Turboprob-Antrieb.
Für den Betrieb des Kernstromtriebwerkes sind, abgesehen von weiteren betriebswichtigen Hilfsaggregate, drei externe Primäraggregate notwendig. Zum einen ist die Anordnung eines Verdichteraggregates für Ladeluft erforderlich, welcher vorzugsweise auf der Turbinenwelle analog dem Verdichterprinzip bei herkömmlichen Axialgasturbinen anzuordnen ist. Jedoch sind auch direkt oder indirekt gekoppelte externe Verdichtereinheiten anwendbar. Zum anderen ist die Anordnung einer Einspritzpumpe mit entsprechender elektronischer Steuerung notwendig, welche den Treibstoff mit dem erforderlichen Druck in die Brennkammer injiziert. Weiterhin ist die Anordnung einer externen Zündstromerzeugung und einer elektronischen Zündsteuerung erforderlich, welche an der Zündquelle die entsprechende Zündung bewirkt. Dies sind jedoch Einrichtungen herkömmlicher Verbrennungskraftmaschinen.
Von besonderem Vorteil ist die Ausbildung der Welle des Zellflügelrades als Zellflügelradhohlwelle. Diese gestattet neben der primären Nutzung als Schubstrahldüse durch die thermische Nutzung des heißen Abgasstromes und die damit verbundene Volumenerhöhung durch die Erhitzung des Luftstaustrahles die Zuführung eines Kühlmediums, vorzugsweise in gasförmiger Form, um die thermische Beanspruchung des Zellflügelrades in betriebs- und materialunschädlichen Grenzen zu halten. Die Lagerung des Zellflügelrades kann dabei in turbinenüblicher Ausführung, gegebenenfalls mittels Wellendichtung, erfolgen. Weiterhin ist in der Zellflügelradhohlwelle oder in deren Peripherbereich die Anordnung von strömungswirksamen Aggregaten möglich, um betriebstechnische Hilfsleistungen zu fahren, z. B. Anordnung von Turboladern.
Die Anordnung der Brennkammern ist variabel. Sie kann zum einen in einer Ebene erfolgen.
Im Beispiel ist die Anordnung von 8 Brennkammern dargestellt. Es ist dabei auch eine deutliche Erhöhung der Anzahl der Brennkammern auf einer Ebene als auch deren Anordnung auf mehreren Ebenen, senkrecht zur Triebwerksachse, möglich. Demzufolge ist auch eine entsprechende Reihung von Zellflügelrädern möglich. Dadurch können entsprechend der jeweilig erforderlichen Laststufen einzelne Brennkammern ohne Last gefahren (z. B. bei Marschgeschwindigkeit) und bei plötzlichem Bedarf an zusätzlichem Drehmoment zugeschaltet werden. Damit ist eine gut dosierbare und sparsame Fahrweise mit entsprechender Regulierung von Verbrauch und Schadstoffausstoß möglich. Ebenfalls ist die Anordnung dieser gestaffelten Funktionsebenen dazu geeignet, jeweils separate arbeitende und abgesicherte Antriebskreise zu realisieren und damit die Betriebssicherheit des Kernstromtriebwerkes wesentlich zu erhöhen.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung kann u. a. auch zu deutlichen Verbesserungen im Einsatzbereich von Mikroturbinen führen, welche infolge ihrer spezifisch geringen Maschinengröße im Verhältnis zur energetischen Leistung und dem damit verbundenen geringen Wirkungsgrad bisher kaum Einsatzmöglichkeiten fanden z. B. Capstone T28-60/80H.
Dies erforderte bisher auch die Wahl hoher Drehzahlen, um das Drehmoment zu realisieren. So wird z. B. die russische Turbine Typ Saratow 2PW8 mit 36.000 U/min gefahren, was bei einer Leistung von 90 kW einen spezifischen Verbrauch von 100 Liter JET A 1 pro Stunde erfordert. Die Turbine Saratow GTD-5M erfordert gar 45 000 U/min zur Erzeugung von 29 kW. Jedoch auch Großturbinen fahren z. T. mit Umdrehungen, die deutlich über 5000 rpm liegen. Bild 1 zeigt eine schematische Darstellung des Kernstrahltriebwerkes im Radialschnitt sowie die Verfahrensanordnung für Zuführung von Ladeluft, Treibstoffeinspritzung und Zündung.
Das Kernstrahltriebwerk besteht vorzugsweise aus einem Stator (1) und einem in diesem Stator (1) drehbar gelagerten Zellflügelrad (2). Der Stator (1) enthält konzentrisch auf seinem Umfang angeordnete Brennkammern (3), in welche die Einspritzdüsen (5) für den Treibstoff sowie die Zündaggregate (7) integriert sind. Weiterhin enthält der Stator die Ladeluftkanäle (6).
Das Zellflügelrad (2) entspricht in Aufbau und Wirkungsweise einem Propeller.
Dabei ist das Zellflügelrad (2) in einzelne Zellen unterteilt, welche paßgenau zu den Brennkammern des Rotors konzentrisch auf dem Umfang des Zellflügelrades (2) angeordnet sind. Jede Zelle besteht aus einem Zellflügel (9), einer Schottblende (10), einer Rückwand (11) und einer Abstromöffnung (12).
Vorgelagert ist das Plansegment (13). Das Plansegment (13) deckt während des Zündvorganges die Brennkammer (3) ab. Nach erfolgter Zündung wird durch die Drehung des Zellflügelrades (2) die Brennkammer (3) freigegeben, wobei der hochgespannte Gasstrom auf den Zellflügel (9) trifft und an diesen einen Drehimpuls abgibt. Das Zellflügelrad wirkt dadurch über die Plansegmente als Drehschieber (siehe Bild 4). Wichtig für einen hohen Wirkungsgrad ist die gasdynamisch optimierte Formgebung der Zellen, insbesondere der des Zellflügels (9).
Die Steuerung des Ladeluftstromes erfolgt über den Drehschieber (8), welcher als umlaufende ringförmige Kante in den Umfang der Brennkammerebene eingreift und abwechselnd die Ladeluftkanäle (6) öffnet und schließt.
Die Funktion ist in Bild 2 als Schnitt dargestellt.
Bild 3 zeigt in schematischer Form eine Teilabwicklung des Vorganges der Drehschiebersteuerung für den Abgasstrom jeweils in Zündphase und Impulsphase.
Durch die erfindungsgemäße Konstruktion des Zellrades (2) in Verbindung mit den Brennkammern (3) erfährt die Kernstromturbine in der dargestellten Form mit 8 Brennkammern 8 × 8 = 64 Arbeitstakte je Umdrehung, wobei sich Anzahl der Brennkammern (3) und Anzahl der Zellflügelräder (2) entsprechend den Erfordernissen erheblich vergrößern lassen.
Das erfindungsgemäß beschriebene Kernstromtriebwerk stellt letztlich eine deutliche Vereinfachung der bisher einsatzüblichen Mantelstromtriebwerke dar und erhöht ihre Steuerungsfähigkeit und Betriebssicherheit erheblich. Es ist jedoch auch als Triebwerk mit günstigem Masse-Leistungsverhältnis für Hubschrauber, Wasserfahrzeuge, Landfahrzeuge und als stationäre Maschine einsetzbar.

1: Stator
2: Zellflügelrad
3: Brennkammer
4: Zellflügelradhohlwelle
5: Einspritzdüse
6: Ladeluftkanal
7: Zündaggregat
8: Drehschieber
9: Zellflügel
10: Schottblende
11: Zellrückwand
12: Abstromöffnung
13: Plansegment
14: Luftstrom Staudruck
15: Schubstrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 1023051 [0006]
- DE 1007118 [0007]
- DE 3326985 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Urlaub-Flugtriebwerke-SPRINGER-Verlag 1995 [0007]
- Schubert – Deutsche Triebwerke – Aviatic-Verlag 1999 [0016]

Claims

Anordnung eines Kernstromtriebwerkes zum vorrangigen Antrieb von Luftfahrzeugen mittels gasförmiger Treibstoffe, gekennzeichnet dadurch, daß in einem Stator (1) ein Zellflügelrad (2) mittels einer Zellflügelradhohlwelle (4) axial drehbar gelagert ist.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Stator (1) konzentrische Brennkammern (3) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Stator (1) ein rotierendes Zellflügelrad (2) mittels einer Zellflügelradhohlwelle (4) dergestalt angeordnet ist, daß es mit seinen Zellen die Brennkammern (3) überdeckt.
Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß in den Brennkammern (3) Einspritzdüsen (5) zur Einspritzung von flüssigem oder gasförmigem Treibstoff angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß in den Brennkammern (3) Zündaggregate (7) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß in die Brennkammern (3) Ladeluftkanäle (6) einmünden.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine umlaufende ringförmigen Kante des Zellflügelrades (2) als Drehschieber (8) ausgebildet ist und diese in die Brennkammerebene des Stators (1) eingreift.
Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß auf dem Zellflügelrad (2) Zellen angeordnet sind, welche jeweils durch einen Zellflügel (9), eine Schottblende (10), eine Zellrückwand (11) und eine Abstromöffnung (12) gebildet werden.
Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, das der Zelle jeweils ein Plansegment (13) zugeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Brennkammerebenen in einer Schnittebene senkrecht zur Achse der Zellflügelradhohlwelle (4) auf dem Stator (1) angeordnet werden können.
Anordnung nach Anspruch 1 und 10, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere den Brennkammerebenen zugeordnete Zellflügelräder (2) in einer Schnittebene senkrecht zur Achse der Zellflügelradhohlwelle (4) auf der Zellflügelradhohlwelle (4) angeordnet werden können.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Zellflügelradhohlwelle (4) als Hohlwelle ausgebildet ist und die Führung eines Mediums durch diese Hohlwelle erfolgen kann.
Verfahren zur explosionsartigen Zündung von flüssigen oder gasförmigen Treibstoffen in konzentrisch auf einem Stator (1) angeordneten Brennkammern (3), gekennzeichnet dadurch, daß die axial wirkenden Explosionsimpulse auf den Zellflügel (9) des Zellflügelrades (2) treffen und an dieses einen Drehimpuls abgeben und das Zellflügelrad (2) dadurch in axiale Umdrehungen versetzen sowie ein entsprechendes Drehmoment auf der Zellflügelradhohlwelle (4) bereitstellen.
Verfahren nach Anspruch 7 und 13, gekennzeichnet dadurch, daß ein auf dem Zellflügelrad (2) angeordneter ringförmig in die Brennkammerebene eingreifender Drehschieber (8) eine Steuerung des Ladeluftstromes für jede Brennkammer (3) vornimmt.
Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, daß das auf dem Zellflügelrad (2) angeordnete Plansegment (13) als Drehschieber wirkt und die Brennkammern (3) während des Zündvorganges verschließt.
Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, daß vermittels einer speziellen Abgasführung durch die Zellen das energetisch hochwirksame Abgas sich in der Zellflügelradhohlwelle (4) mit dem Luftstrom aus Staudruck (14) mischt, wodurch die Zellflügelradhohlwelle (4) als Schubdüse wirkt und einen hochwirksamen Schubstrom (15) erzeugen kann.
Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, daß in der Zellflügelradhohlwelle (2) ein Kühlmedium zur Gewährleistung eines optimalen Temperaturregimes geführt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, daß jede Brennkammer (3) im Verlauf einer Umdrehung des Zellflügelrades (2) eine entsprechend der Anzahl der angeordneten Brennkammern (3) definierten Anzahl von Arbeitstakten bringt.
Verfahren nach Anspruch 10 und 11, gekennzeichnet dadurch, daß die einzelnen gestaffelten Funktionsebenen aus Brennkammern (3) und Zellflügelrädern (4) als separat betriebene und abgesicherte Funktionsebenen ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, daß in der Zellflügelradhohlwelle (4) oder in deren Peripherie weitere strömungswirksame Aggregate plaziert werden können, um betriebswirksame Leistungen zu erbringen, z. B. Turbolader.