DE102017009911A1 - Verfahren zum Multiplizieren der Leistung einer Kraftmaschine sowie Triebwerksanlage mit einer Kraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Multiplizieren der Leistung einer Kraftmaschine bereit, gemäß welchem eine Luftvorladung mittels eines Frontluftverdichters (1) und einer künstlichen Druckluftumgebung um die Kraftmaschine mittels einer Drucklufthülse (12) vorgesehen ist. Unter einem weiteren Gesichtspunkt stellt die Erfindung eine Triebwerksanlage mit einer Kraftmaschine bereit, bei der eine Luftvorladung der Kraftmaschine mittels eines Frontluftverdichters (1) und einer künstlichen Druckluftumgebung um die Kraftmaschine mittels einer Drucklufthülse (12) vorgesehen ist.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Multiplizieren der Leistung einer Kraftmaschine sowie eine Triebwerksanlage, die eine entsprechende Kraftmaschine aufweist. Insbesondere betrifft die Erfindung Triebwerksanlagen mit Drehkolbenkraftmaschinen mit kontinuierlichem Brennprozess, die mit dem Verfahren zur Multiplizierung der Leistung im Zusammentun verschiedener Vortriebs- und Auftriebseinrichtungen erhöhte und besondere Eigenschaften Flugzeugen beifügen. Spezieller betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Multiplizierung der Leistung der Triebwerke bei Flugzeugen mit Kurzstreckenstart und -landung oder Vertikalstart und -landung auf der Grundlage insbesondere forcierter Varianten der Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess, einer vergrößerten zusätzlichen Verdichterstufe als Druckluftvorlader und eines Druckluftbehälters als künstlicher Umgebung der Drehkolbenkraftmaschine zur Erhöhung ihrer Leistung im Zusammentun der verschiedenen Vortriebs- und Auftriebseinrichtungen.
• Technischer Hintergrund
• In der Gegenwart existieren zwei Arten von Verbrennungsmotoren, die als Triebwerke in Industrie und Transportwesen angewendet werden. Eine Art ist durch Kolbenmotoren mit diskontinuierlichem Vedrängungsarbeitsprozess vertreten. Sie brauchen Unterbrechungen ihres Arbeitsvorgangs bei jeder Halbumdrehung der Leistungwelle zum Abräumen und Aufladen der Arbeitskammer und sind daher uneffektiv durch einen niedrigen Kennwert des Leistungsvolumens. Die zweite Art bilden Turbokompressormotoren mit kontinuierlichem Arbeitsvorgang (einfach Turbomotoren oder Gasturbinen genannt). Sie verwenden eine Umströmung der Schaufeln sowohl bei der Komprimierung der Luft mit einem Kompressor als auch bei der Herstellung des Drehmomentes mittels einer Turbine zum Antreiben des Kompressors und der Leistungswelle. Beide Arten haben sowohl Vorteile als auch Nachteile, die es mit drei Kriterien bei ähnlicher Leistung des Triebwerks einzuschätzen gilt:
1. 1. Größe des Kennwertes des Leistungsvolumens (Leistungsgewicht),
2. 2. Kraftstoffverbrauch und Herstellungsaufwand,
3. 3. Menge an Schadstoffen in den Ausstoßgasen.
• Die Kolbenmotoren haben einen relativ geringen Kraftstoffverbrauch für jede bestimmte Leistung, haben aber die schlechtesten Werte des Leistungsvolumens und schlechte Werte bei der Auswirkung der Ausstoßgase auf die Ökologie. Die Turbokompressormotoren dagegen haben die besten Werte des Leistungsvolumens, weisen jedoch einen hohen Herstellungsaufwand und die höchsten Werte des Kraftstoffverbrauchs sowie als Folge eine hohe Schadstoffbelastung durch eine große Menge an nicht gereinigten Abgasen auf. Damit verstoßen beide Gattungen gegen die neuesten Anforderungen an Triebwerke von seiten der Ökologie und Wirtschaftlichkeit.
• Entscheidenden Fortschritt in diesem Bereich verbindet man zur Zeit mit relativ neuen Typen von Wärmekraftmaschinen - Drehkolbenkraftmaschinen verschiedener Arten. Beispielhaft seien hier die DE 2 009 732 A , die DE 197 11 084 A1 , die US 3 203 406 A sowie etliche Projekte, die aus dem Internet bekannt sind. Dennoch ist keine Art der Drehkolbenkraftmaschinen bisher auf dem Markt vertreten - mit Ausnahme des Wankelmotors, der jedoch keine wahrnehmbaren Vorteile gegenüber der herkömmlichen Technik zeigt, weil er einen diskontinuierlichen Arbeitsprozess, ähnlich wie alle herkömmlichen Kolbenmotoren, hat.
• Das Nichtvorhandensein von Schemata von Kolbenmotoren, die ohne Unterbrechung des Arbeitsvorgangs für eine Aufladung mit nachfolgender Zündung arbeiten können, hat bisher zu Misserfolgen geführt. Ungeachtet schädlicher ökologischer Folgen setzt sich die Verwendung der herkömmlichen Verbrennungsmotoren weiter fort.
• Jetzt aber existieren Patente einer Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess, die eine Hybride aus Teilen des Drehkolbenmotors und einer Brennkammer des Turbomotors ist und damit eine gesonderte Gattung von Verbrennungsmotoren bildet. Sie ist frei von vielen Nachteilen beider Stammgattungen und verfügt über eine Vielzahl wertvoller Synergieeffekte. Die Maschine ist durch eine Reihe von Patentschriften vertreten ( DE 10 2006 038 957 B3 , DE 10 2009 005 107 B3 , DE 10 2010 006 487 B4 , DE 10 2012 011 068 B4 und DE 10 2013 016 274 B4 ), die eine Entwicklungsfolge der Maschine darstellen. Besonders aktuell ist die DE 10 2013 016 274 B4 mit dem Titel „Dreistufige Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess“ als eine Weiterentwicklung der DE 10 2012 011 068 B4 , wobei beide besonders relevant für die vorliegende Erfindung sind.
• Die erlangten Synergieeffekte bescheren der Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten. Aus den umweltschonenden und ressourcensparenden Eigenschaften ergibt sich ein äußerst diversifiziertes Marktpotential für die Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess. Ein Einsatz der Drehkolbenkraftmaschine ist im Bereich der Automobilindustrie, Luft- und Schiffahrt, aber auch in Schienenfahrzeugen, Straßen- und Bergbau denkbar. Im allgemeinen kann die Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess für beliebige Bereiche speziell projektiert und hergestellt werden. Es können z. B. einerseits sehr wirtschaftliche Triebwerke für unbemannte Flugzeuge und andererseits Antriebe für die Schwerindustrie an Stelle von Gasturbinen oder Dieselmotoren gebaut werden. Zur Zeit gibt es einen bevorzugten Zielmarkt - sogenannte Range Extender für die Versorgung eines leicht gebauten Elektrofahrzeugs. Daher wäre eine Auslegung der Kraftmaschine bei 30-50 kW vermutlich vorteilbringend. Ein zweites aktuelles Einsatzgebiet wäre die Versorgung eines Mehrfamilienhauses mit einem Mini-Blockheizkraftwerk. Dafür reicht vermutlich eine Auslegung der Kraftmaschine bei weniger als 30 kW aus. Für die Anwendung in der Schwerindustrie hat die Maschine eine besondere Eigenschaft: direkten Zug. Nach entsprechenden Projektvorgaben konstruiert, könnte sie nämlich ein so großes Anfangsdrehmoment entwickeln, dass bei vielen Anwendungen kein Reduziergetriebe nötig ist. Daneben hat die Kraftmaschine kurze Anlauf- und Ausschaltdauer, was für die Anwendung in manchen Bereichen der Technik wichtig ist.
• Für weitere Betrachtungen ist wichtig, dass die Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess sich in der Brennkammer an das vom Turbomotor entlehnte Prinzip getrennter Arbeitsräume und eines ununterbrochenen Arbeitsprozesses mit (quasi) beständigem Arbeitsdruck hält, während bei Verdichter und Expander (Motorstufe) ein kolbenartiger Verdrängungsprozess erfolgt.
  Die verdrängungsartige Energieverwandlung bei Kolben erweist sich als fast dreifach effektiver als die Energieverwandlung bei Umströmung von Turbinenschaufeln. Dank des Verdrängungsprozesses entsteht in den Verdichter- und Expansionsräumen der Drehkolbenkraftmaschine ein fast dreimal so kleiner Förderstrom wie bei einem Turbomotor mit ähnlicher Leistung und stromartigem Arbeitsverfahren, was entsprechend kleinere Ausmaße der Arbeitsräume erfordert. Dementsprechend hat die Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess einen ungefähr dreimal kleineren Kraftstoffverbrauch als ein Turbomotor ähnlicher Leistung.
• Infolge des kontinuierlichen Brennprozesses, mit vollständigem Verbrennen des Kraftstoffes bei geregeltem Überfluss der Luft bei Brennen und vollständiger Ausdehnung des Gases in den Expansionsräumen, hat die Drehkolbenkraftmaschine höhere Wirkungsgrade und bessere ökologische Werte beim Ausstoß als jede andere Art von Verbrennungsmaschinen. Anwendbar sind beliebige gasförmige oder flüssige Kraftstoffe, Erdgas und Kryokraftstoffe, einschließlich von Wasserstoff. Am wichtigsten ist dabei, dass die Drehkolbenkraftmaschine vom Turbomotor den kontinuierlichen Arbeitsprozess entlehnt. Dank diesem und anderen Eigenschaften hat die Drehkolbenkraftmaschine ebenso hohe Kennwerte der spezifischen Leistung (Verhältnis Leistung/Volumen oder Leistung/Gewicht), wie sie sonst nur die Turbinen kennzeichnen.
• Offenbarung der Erfindung
• Zurück zu forcierten Varianten einer Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess. Die neuen Ideen der Nutzbarmachung der nützlichen Eigenschaften der Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess ermöglichen eine ganze Reihe neuer forcierter Ausgaben dieser Kraftmaschine, die sich auf die konstruktive Änderungen der Maschine selbst sowie auf Effekte der Vorladung beziehen, die sich einerseits mittels eines Frontluftverdichters und andererseits über eine künstliche Druckluftumgebung mittels einer Drucklufthülse oder -hülle um die Kraftmaschine verwirklichen lassen.
• Hier sei eine Erklärung eingeschoben. In den Patentschriften DE 10 2012 011 068 B4 und DE 10 2013 016 274 B4 ist die Drehkolbenkraftmaschine mit drei Nebenrotoren vorgeführt, wobei auch Varianten mit zwei oder vier Nebenrotoren möglich sind. Außerdem sind auch Varianten mit vergrößertem Verhältnis des Durchmessers der Arbeitskammern zum Durchmesser des Nebenläufers (in der Hauptvariante die in der Verhältnis 2:1 zueinander stehen) möglich. Jede Abweichung von der angenommenen Variante könnte zu einem Vorteil bei einigen Parametern (z. B. bei der Leistung) führen. Aber dabei es kann zur Nachteilen kommen wie z. B. zu verkleinertem Raum und ungünstigen Konfigurationen der Brennkammer (wenn eine solche vorgesehen ist) oder zur vergrößerten Durchmessern der Lager und Verdichtungen sowie verschlechterten Arbeitsbedingungen derselben, wie vergrößerten Linear- und Winkelgeschwindigkeiten, erhöhten Temperaturen und dergleichen.
• Mit den beschriebenen Abweichungen kann man auch den Frontluftverdichter konzipieren. Es wird sogar vorteilhaft für den Kennwert des Leistungsvolumens sein, einen Frontluftverdichter mit vergrößertem Verhältnis des Durchmessers der Arbeitskammern zum Durchmesser des Nebenläufers zu projektieren, denn für einen Frontluftverdichter braucht man keinen Raum für eine Brennkammer im Inneren des Hauptläufers, wo allerdings Filteranlagen mit selbstreinigenden Filterelementen vorteilhaft sind.
• Diese Ideen liegen schon der DE 10 2015 015 756 A1 mit Titel „Triebwerk mit Frontluftkompressor, dreistufiger Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess und schwenkbaren Luftstrahldüsen als Antrieb für senkrechtstartende Flugzeuge“ zugrunde, die ein Triebwerk offenbart, in dem ein Frontluftkompressor als Druckvorlader und eine Hülse um die Drehkolbenkraftmaschine als Druckluftbehälter dienen, wobei die Druckluft in vier schwenkbare Düsen für Vertikalstart sowie Übergangs- und Horizontalflüge gespeist wird und zum Vortrieb dient.
• Doch die bessere Auswahl für einen Frontluftkompressor bei etlichen Verwendungen der forcierten Variante der Drehkolbenkraftmaschine wäre eine nach dem Verdrängungsprinzip arbeitende Verdichterstufe, die z. B. wie die Kompressorstufe der Schraubenkraftmaschine nach Offenlegungsschrift DE 10 2010 020 681 A1 oder die Verdichterstufe der Drehkolbenmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess gestaltet ist, aber bei erhöhten relativen Dimensionen ihrer Arbeitskammer und regulierbaren Drehzahlen. Diese Bevorzugung ist damit begründet, dass Drehkolbenmaschinen mit Energieübertragung nach dem Verdrängungsprinzip arbeiten und daher wirtschaftlicher sind als Strömungsmaschinen wie ein Frontluftkompressor, der nach dem aerodynamischen Prinzip einer Umströmung der Schaufeln von Kompressor und Turbine arbeitet.
• Eine künstlich erschaffene Umgebung für die Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess kann eine Drucklufthülse wie in DE 10 2015 015 756 A1 und vom Frontluftverdichter produzierte Druckluft (vorzugsweise bis 5bar) bilden. Diese Druckluft dient als eine hocheffektive Luftaufladung für die Drehkolbenkraftmaschine und steigert damit ihre Leistung in mehr als 4-facher Weise. Zudem kann die künstliche Umgebung die Kraftmaschine von der äußeren Welt isolieren und ermöglicht damit, die Abgas- und Kühlwärme der Kraftmaschine mit einem Wärmetauscher auszunutzen, was zu beträchtlich höherer Leistung und höheren Wirkungsgraden der gesamten Anlage führt.
• Bei alledem können eine neue Art von Einrichtungen zur Schaffung des Auftriebs für Senkrechtstart und -landung des Flugzeugs, nämlich steuerbare storeartige Luftstromdüsen, sowie eine lenkbare sphäroidische Luftstrahldüse für der Vortrieb beste Ergebnisse bei Flugzeugen mit Kurzstreckenstart und -landung, Flugzeugen mit Senkrechtstart und -landung sowie bei der Lagesteuerung bringen.
• Alle oben genannten Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zum Multiplizieren der Leistung einer Kraftmaschine nach Anspruch 1 sowie eine Triebwerksanlage mit einer Kraftmaschine nach Anspruch 6.
• Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Kraftmaschine, z. B. eine insbesondere forcierte Drehkolbenkraftmaschine, und gleichzeitig eine Art der Vorladung für die Kraftmaschine mittels eines Schrauben- oder Frontluftverdichters als Vorstufe sowie eine künstliche Druckluftumgebung mittels einer Drucklufthülse um die Kraftmaschine, wie z. B. nach DE 10 2015 015 756 A1 bei Anwendung des Verfahrens in Flugzeugen mit Vertikalstart und -landung, vorgesehen.
• Als Kraftmaschine in der Drucklufthülse kann auch ein anderer Typ des Triebwerks angewendet sein, sogar der herkömmliche Kolbenmotor (aber es lohnt sich weniger). In der Rolle des Vorverdichters besonders effizient sind die Frontluftkompressoren, die in vielen Stromtriebwerken der Gegenwart verwendet werden und ihre Ressource noch nicht verbrauchen, oder leistungspassende Schraubenverdichter, die breite Verwendung in der Kühl- und Fördertechnik gefunden haben.
• Insbesondere vorteilhaft ist der erstgenannte Typ, weil er die höheren Kennwerte des Leistungsgewichts pro Volumen (K_L = P/ΣV) sowie die besten Wirkungsgrade dank Anwendung des Verdrängungsarbeitsprinzips und von präzisen Dichtleisten zeigt, verglichen mit einem Schraubenverdichter oder anderen Typ des Verdichters. Außerdem ist er mit einer passenden Luftfilteranlage ausgestattet. Dabei werden eine mehrfache Erhöhung der Leistung der Kraftmaschine und einer ganzen Triebwerksanlage sowie eine bedeutende Steigerung von deren Wirkungsgraden ermöglicht.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die erfindungsgemäße Triebwerksanlage einen Frontluftverdichter von vorne, der dem Luftverdichter der Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess z. B. nach DE 10 2013 016 274 B4 ähnlich gebaut ist, aber dabei relativ vergrößerte Dimensionen und durch ein veränderbares Reduziergetriebe variable Drehzahlen aufweist, für welche die Anwendung der Triebwerksanlage als eine Art der Kraftmaschine mit erhöhter Leistung vorgeschlagen ist.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird eine Triebwerksanlage, die einen relativ vergrößerten Frontluftverdichter von vorne aufweist, der dem Luftverdichter der Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess z. B. nach DE 10 2013 016 274 B4 ähnlich gebaut ist, aber ein erhöhtes Durchmesserverhältnis der Verdichtungskammern zu den eigenen Nebenläufern von 2,66:1 sowie ein veränderbares Reduziergetriebe zur besseren Anpassung an Bedürfnisse der Triebwerksanlage zeigt, vorgeschlagen. Damit ist diese Triebwerksanlage besonders zum Produzieren des großen Drehmomentes auf der Welle eines Gebläses oder Turbopropvortriebs bei Anwendung der Triebwerksanlage in Flugzeugen mit Kurzstreckenstart und -landung geeignet.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird eine Triebwerksanlage, die einen relativ vergrößerten Frontluftverdichter von vorne, der dem Luftverdichter der Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess mit vier Nebenläufern und einem erhöhtem Durchmesserverhältnis der Verdichtungskammern zu den Nebenläufern von 2,66:1 ähnlich gebaut ist sowie ein veränderbares Reduziergetriebe für bessere Anpassung an Bedürfnisse der Triebwerksanlage zeigt, vorgeschlagen. Damit ist diese Triebwerksanlage besonders zum Produzieren des großen Drehmomentes auf der Welle eines Gebläses oder Turbopropvortriebs bei Anwendung der Triebwerksanlage in Flugzeugen mit Kurzstreckenstart und -landung geeignet.
• Erfindungsgemäß ist eine - leicht auslegbare - Drucklufthülse rund um die Kraftmaschine gebaut, um eine künstliche Umgebung mit Druckluft für die Kraftmaschine zu schaffen, wodurch die Kraftmaschine von der äußeren Welt isoliert ist und die Abgas- und Kühlwärme von der Kraftmaschine sowie von Wärmetauschern sich utilisieren lassen, was zum höheren Wirkungsgrad der gesamten Anlage führt.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind Einrichtungen für Auftrieb für Senkrechtstart und -landung eines Flugzeugs, die aus einer steuerbaren storeartigen, zentral beim Zentrum der Gewichtmassen einer eingebauten Luftstrahldüse und vier kleineren seitlichen, ähnlich gebauten Luftstromdüsen für seitliche Lagebestimmung des Flugzeugs bestehen, in der Drucklufthülse sowie eine lenkbare sphäroidische Luftstrahldüse hinten an der Triebwerksanlage für Vortrieb vorgesehen.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Kraftmaschine eine Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess mit vier Nebenläufern und einem erhöhtem Durchmesserverhältnis der Verdichtungskammern zu den Nebenläufern von 2,66:1.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Einzelheiten der hauptsächlichen und ergänzenden Merkmale der Erfindung sind anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen mit 1a-1g, 2a-2f, 3a-3h, 4a-4c sowie 5 dargestellt und in dem weiteren Text beschrieben. Dabei zeigen die 1a und 1b, 2a und 2b sowie 3a jeweils eine oder zwei Längsschnitte von Ausführungsformen von Triebwerksanlagen nach den Ansprüchen von 7 bis 9. Die restlichen Figuren zeigen Querschnitte, Fragmente und Einzelheiten der Triebwerksanlagen. In 4a-4c sind die Querschnitte der Triebwerke dreier Varianten 1, 2 und 3 nebeneinander zum Vergleich aufgeführt. 5 zeigt die spezifischen Profile eines Kammes und einer Vertiefung des Hauptläufers für ein Durchmesserverhältnis der Verdichtungskammern zu den Nebenläufern von 2,66:1.
• Ausführungsformen der Erfindung
• Es folgen Erläuterungen zu Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Triebwerksanlage sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens der Multiplizierung der Leistung der Kraftmaschine mittels einer künstlichen Druckluftumgebung durch eine Drucklufthülse um die Kraftmaschine, wie z. B. nach DE 10 2015 015 756 A1 . Dafür zielgemäß ist eine Untersuchung der thermodynamischen Charakteristika einer Drehkolbenmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess, die in der Druckluft- bzw. Druckgashülse untergebracht ist. Wie es in den technischen Begründungen der bestehenden Erfindung formuliert ist, kann eine Drucklufthülse sowie von dem Frontluftverdichter erzeugte Druckluft als eine hocheffektive Luftaufladung für die Drehkolbenkraftmaschine dienen und damit deren Leistung in mehrfacher Weise steigern. Gleichzeitig kann die künstliche Umgebung die Kraftmaschine von der äußeren Welt isolieren und damit die Abgas- und Kühlwärme der Kraftmaschine und ihrer Wärmeaustauscher utilisieren lassen, was zur beträchtlich höheren Leistung und zu höheren Wirkungsgraden der gesamten Anlage führt.
• Um den Effekt beider Faktoren relativ zueinander einzuschätzen, kann man schon vorhandene Programme zur Berechnung der Charakteristika der Drehkolbenmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess ausnutzen, um die Abhängigkeit der Leistung und anderer Charakteristika der Drehkolbenmaschine bei ihrer Arbeit bei in der Drucklufthülse geschaffenen Druck- und Temperaturbedingungen zu berechnen. Die Analyse der Daten von solchen Berechnungen für die Drehkolbenmaschine und der Vergleich mit schon vorhandenen praktischen Verfahren der Luftaufladung in herkömmlichen Kolbenmotoren zeigt eindeutig, dass der Effekt sehr beeindruckend werden kann.
• Als Illustration für diese These wurde Forschung mit einem bestehenden Works-Computerprogramm (s. dafür Thermodynamische Charakteristika der dreistufigen Drehkolbenmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess, ISBN 978-3-95404-751-2, Cuvillier-Verlag Göttingen, 2014) durchgeführt und die Ausgangsdaten ausgedeutet. Das Experiment ist durchgeführt am Beispiel einer Drehkolbenmaschine mit folgenden beigeordneten Parametern: Leistung 400 kW, Drehzahlen n_H = 5000 min^-1 (Hauptläufer) und n_N = 15 000 min^-1 (Nebenläufer), Temperatur des Arbeitsgases in der Brennkammer T₃ = 1073 °K (Temperatur für einen experimentellen Prototyp) bei Luftüberfluss w = 1,315 ÷ 1,973 für fünf Fälle, nämlich einen ersten Fall ohne Luftaufladung (P₁ = 1,0132 bar bei 20 °C, anfängliche Dichte der Luft ρ = 1,1881 kg/m³) und weitere Fälle mit Druck der Luftaufladung von 2 bar, 3 bar, 4 bar und 5 bar.
• Der erste Schritt ist Berechnung der Dichte und Temperatur der Luft bei 2 bar, 3 bar, 4 bar und 5 bar. Die thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten dafür lauten: $${\text{P}}_1{\text{V}}_1{}^{\text{X}}={\text{P}}_2{\text{V}}_2{}^{\text{X}},$$

  

  $${\text{V}}_1=1{\text{ m}}^3,$$

  

  $${\mathrm{\rho }}_2=\frac{{\text{V}}_1{\mathrm{\rho }}_1}{{\text{V}}_2},$$

  

  $${\text{T}}_2=\left({\mathrm{273,15}}^0\text{K}+\text{t}\right){\left(\frac{{\text{p}}_1}{{\text{p}}_2}\right)}^{\frac{\text{x}-\text{1}}{\text{x}},}$$

  

  wobei der Polytropenindex für die Verdichtung der Luft in einer Verdichterstufe x = 1,3 ist. Bei P₂ = 2 bar ist $${\text{V}}_2={}^{\mathrm{1,3}}\sqrt{\frac{{\text{P}}_1{\text{V}}_1^{\mathrm{1,3}}}{{\text{P}}_2}}={}^{\mathrm{1,3}}\sqrt{\frac{\mathrm{1,0132}\cdot 1}{2}}=\mathrm{0,5926}{\text{ m}}^3,$$

  

  $${\mathrm{\rho }}_2=\frac{{\text{V}}_1{\mathrm{\rho }}_1}{{\text{V}}_2}=\frac{1\cdot \mathrm{1,1881}}{\mathrm{0,527}}=\mathrm{2,0}{\text{ kg/m}}^3,$$

  

  $${\text{T}}_2=\left({\mathrm{273,15}}^0\text{K}+\text{t}\right){\left(\frac{{\text{p}}_2}{{\text{p}}_1}\right)}^{\frac{\text{x}-1}{\text{x}}}=\mathrm{293,15}{\left(\frac{2}{\mathrm{1,0132}}\right)}^{\frac{\mathrm{1,3}-1}{\mathrm{1,3}}}=\mathrm{342,6}°\text{.}$$

  
• Bei P₃ = 3 bar ist $${\text{V}}_2={}^{\mathrm{1,3}}\sqrt{\frac{{\text{P}}_1{\text{V}}_1^{\mathrm{1,3}}}{{\text{P}}_3}}={}^{\mathrm{1,3}}\sqrt{\frac{\mathrm{1,0132}\cdot 1}{3}}=\mathrm{0,4336}{\text{ m}}^3,$$

  

  $${\mathrm{\rho }}_2=\frac{{\text{V}}_1{\mathrm{\rho }}_1}{{\text{V}}_2}=\frac{1\cdot \mathrm{1,1881}}{\mathrm{0,4334}}=\mathrm{2,738}{\text{ kg/m}}^3,$$

  

  $${\text{T}}_2=\left({\mathrm{273,15}}^0\text{K}+\text{t}\right){\left(\frac{{\text{p}}_2}{{\text{p}}_1}\right)}^{\frac{\text{x}-1}{\text{x}}}=\mathrm{293,15}{\left(\frac{3}{\mathrm{1,0132}}\right)}^{\frac{\mathrm{1,3}-1}{\mathrm{1,3}}}=\mathrm{376,6}°\text{.}$$

  
• Bei P₄ = 4 bar ist $${\text{V}}_2={}^{\mathrm{1,3}}\sqrt{\frac{{\text{P}}_1{\text{V}}_1^{\mathrm{1,3}}}{{\text{P}}_4}}={}^{\mathrm{1,3}}\sqrt{\frac{\mathrm{1,0132}\cdot 1}{4}}=\mathrm{0,3478}{\text{ m}}^3,$$

  

  $${\mathrm{\rho }}_2=\frac{{\text{V}}_1{\mathrm{\rho }}_1}{{\text{V}}_2}=\frac{1\cdot \mathrm{1,1881}}{\mathrm{0,3478}}=\mathrm{3,478}{\text{ kg/m}}^3,$$

  

  $${\text{T}}_2=\left({\mathrm{273,15}}^0\text{K}+\text{t}\right){\left(\frac{{\text{p}}_2}{{\text{p}}_1}\right)}^{\frac{\text{x}-1}{\text{x}}}=\mathrm{293,15}{\left(\frac{4}{\mathrm{1,0132}}\right)}^{\frac{\mathrm{1,3}-1}{\mathrm{1,3}}}=\mathrm{402,5}°\text{.}$$

  
• Bei P₅ = 5 bar ist $${\text{V}}_2={}^{\mathrm{1,3}}\sqrt{\frac{{\text{P}}_1{\text{V}}_1^{\mathrm{1,3}}}{{\text{P}}_5}}={}^{\mathrm{1,3}}\sqrt{\frac{\mathrm{1,0132}\cdot 1}{5}}=\mathrm{0,5926}{\text{ m}}^3,$$

  

  $${\mathrm{\rho }}_2=\frac{{\text{V}}_1{\mathrm{\rho }}_1}{{\text{V}}_2}=\frac{1\cdot \mathrm{1,1881}}{\mathrm{0,2929}}=\mathrm{4,056}{\text{ kg/m}}^3,$$

  

  $${\text{T}}_2=\left({\mathrm{273,15}}^0\text{K}+\text{t}\right){\left(\frac{{\text{p}}_2}{{\text{p}}_1}\right)}^{\frac{\text{x}-1}{\text{x}}}=\mathrm{293,15}{\left(\frac{5}{\mathrm{1,0132}}\right)}^{\frac{\mathrm{1,3}-1}{\mathrm{1,3}}}=\mathrm{423,2}°.$$

  
• Mit der Komprimierung der Luft in dem Frontluftverdichter wird auch dessen Temperatur steigen. Deshalb muss man, außer der Dichte der in die Drehkolbenkraftmaschine eingesaugten Luft, auch die erhöhte Temperatur des Frontluftverdichters mitberechnen.
• Hier und in nachfolgenden Tabellen:

P_W

Leistung der Drehkolbenkraftmaschine,

T₁

Temperatur der in die Verdichterstufe eintretenden Luft,

T₂

Temperatur der Luft nach Komprimierung in der Verdichterstufe,

T₄

Temperatur des Abgases,

m

Masse der in die Verdichterstufe eintretenden Luft,

V₁

Volumen der in die Verdichterstufe eintretenden Luft,

V₄

Volumen des Abgases,

W_V

technische Arbeit der Verdichterstufe (hat Vorzeichen „+“ als über der Luft verrichtete Arbeit),

W_P

vom Gas nach seiner Ausdehnung (bei p₃ = const.) in der Brennkammer einer Expansionsstufe verrichtete Arbeit (hat Vorzeichen „-“ als vom Gas verrichtete Arbeit),

W_E

mechanische Leistung in der Expansionsstufe (hat Vorzeichen „-“ als vom Gas verrichtete Arbeit),

ΣW

summierte mechanische Leistung (hat Vorzeichen „-“ als vom Gas verrichtete Arbeit),

d_V

Durchmesser der Nebenläufer der Verdichterstufe,

d_E

Durchmesser der Nebenläufer der Expansionsstufe.

• Man muss auch klären, welche Aufgabe zu stellen ist, denn gibt es dabei drei Varianten des Vorganges:
• • Eine Variante 1 verwendet einen Algorithmus für die Berechnung von Projektdaten, der immer das Ziel verfolgt, die kleinstmöglichen Abmessungen der Maschine für Leistung und Drehzahlen zu ermitteln, die vom Operateur beigeordnet sind. Die resultierenden Daten des Berechnungsprogramms zeigen, wie die Drehkolbenkraftmaschine unter den vorgegebenen Umständen (in diesem Fall mit Luftaufladung und geänderten Bedingungen in der Drucklufthülse) schrumpft und dabei ihre Parameter verändert.
• • Eine Variante 2 verwendet einen Algorithmus, bei dem speziell die Parameter Luftdichte und P₄ (Druck beim Auspuff) immer konstant als p = 1,1881, P₄ = 1,1 bar vom Operateur beigeordnet sind. Der Algorithmus berechnet die Parameter, darunter die wachsende Leistung der Drehkolbenkraftmaschine unter der Annahme, dass die Abmessungen der Maschine ständig dieselben (unverändert) bleiben und der Abgasausstoß in die Atmosphäre erfolgt (genauer gesagt, bei 1.1 bar, wie bei Nachbehandlung des Gases-Dampf Gemisches der Fall ist).
• • Eine Variante 3 verwendet einen Algorithmus, bei dem speziell der Parameter Luftdichte immer als p = 1,1881 und der Parameter P₄ = 1,1 bar, 2 bar, 3 bar, 4 bar, 5 bar vom Operateur beigeordnet sind. Der Algorithmus berechnet die Parameter, darunter die wachsende Leistung der Drehkolbenkraftmaschine, unter der Annahme, dass die Abmessungen der Maschine ständig dieselben (unverändert) bleiben, und der Abgasausstoß in die Drucklufthülse erfolgt.
• Weitere deutungsrelevante Berechnungsdaten für die drei Varianten sind in den folgenden Tabellen angegeben. Tabelle von Variante 1

  	PW=400kW	PW=400kW	PW=400kW	PW=400kW	PW=400kW
  	p1=1,01325bar	p1=2bar	p1=3bar	p1=4bar	p1=5bar
  	p4=1,1bar	p4=1,1bar	p4=1,1bar	p4=1,1bar	p4=1,1bar
  	ρ=1,1881kg/m3	ρ=2,0 kg/m3	ρ=2,738 kg/m3	ρ=3,478 kg/m3	ρ=4,056 kg/m3
  °K	T1=293	T1=342,9	T1=376,6	T1=402,5	T1=423,2
  °K	T2=457,7÷596,1	T2=457,9÷596,3	T2=457,9÷596	T2=458÷596,5	T2=457,4÷596
  °K	T4=750÷601	T4=750÷601	T4=750÷601	T4=750÷601	T4=750,9÷601
  kg/s	m =1,364÷ 1,5367	m=1,217÷ 1,353	m=1,134÷ 1,251	m=1,0778÷ 1,183	m=1,0349÷ 1,131
  m3/s	V1=1,148÷1,29	V1=0,609÷0,676	V1=0,414÷0,46	V1=0,31÷1,34	V1=0,255÷0,28
  m3/s	V4=2,707÷2,44	V4=2,42÷2,155	V4=2,25÷1,99	V4=2,1÷1,847	V4=2,055÷1,8
  kW	WV=283,4÷ 587,5	WV=176,8÷ 433,2	WV=1163÷ 346,8	WV=70,05÷ 284,2	WV=44,6÷ 246,3
  kW	WP=-244,3÷ -213,3	WP=-218,3÷ -188	WP=-203÷ -173,5	WP=-189,4÷ -161,1	WP=-185,6÷ -157,2
  kW	WE=-534,5÷ -880	WE=-477,7÷ -736,5	WE=-444,1÷ -716,1	WE=-414,5÷ -665	WE=-405,7÷ -648
  kW	ΣW=-495,4÷ -505,7	ΣW=-519,2÷ -530,8	ΣW=-530,8÷ -542,8	ΣW=-529,9÷ -541,8	ΣW=-546,7÷ -559
  m	dv=0,0703÷ 0,0732	dV=0,0569÷ 0,059	dV=0,0501÷ 0,0517	dV=0,0455÷ 0,0469	dV=0,0426÷ 0,0439
  m	dE=0,0936÷ 0,0905	dE=0,0902÷ 0,0868	dE=0,088÷ 0,0845	dE=0,086÷ 0,0824	dE=0,0854÷ 0,0817

• Bei Variante 1 kann man beobachten, dass die Temperatur der in die Verdichter der Kraftmaschine eintretenden Luft T₁ auf die Temperatur der Luft von der Komprimierung im Frontluftverdichter abgestimmt ist, wie es das Verfahren vorsieht. Die Masse der eintretenden Luft bleibt mit der Erhöhung des Luftaufladungsdrucks sowie der Erhöhung des Arbeitsdrucks in der Stufe (P₄ + 7÷22 bar) relativ stabil und vermindert sich wenig unter Einwirken der gegenseitigen Faktoren wachsender Dichte und erhöhter Eintrittstemperatur T₁ . Entsprechend verändern sich weitere Charakteristiken. Die summierte mechanische Leistung ΣW zeigt sich etwas größer gegenüber dem beigeordneten Wert P_W = 400 kW.
• Hier verdienen entsprechend der Aufgabe Beachtung die mit Erhöhung des Aufladungsdrucks verringerten Werte der Durchmesser der Nebenläufer von Verdichter- und Expansionsstufen d_V und d_E , die als Vorgaben für eine Berechnung der Abmessungen der Stufen dienen. Somit lässt sich mit dieser Variante einschätzen, eine um wieviel verkleinerte Variante der Drehkolbenkraftmaschine als eine Maschine mit Leistung P_W = 400kW, eingesetzt werden kann. Gewinn kann durch verkleinerte Ausmaße der Drehkolbenkraftmaschine und Druckhülse und entsprechende Verkleinerung des gesamten Ausmaßes oder Gewichts der Anlage erlangt werden, besonders wenn konstruktive Begrenzungen der Abmessungen oder des Gewichts der Drehkolbenkraftmaschine existieren. Tabelle von Variante 2

  	PW=400kW	PW=400kW	PW=400kW	PW=400kW	PW=400kW
  	p1=1,01325bar	p1=2bar	p1=3bar	p1=4bar	p1=5bar
  	p4=1,1bar	p4=1,1bar	p4=1,1bar	p4=1,1bar	p4=1,1bar
  	ρ=1,1881kg/m3	ρ=1,1881kg/m3	ρ=1,1881kg/m3	ρ=1,1881kg/m3	ρ=1,1881kg/m3
  °K	T1=293	T1=342,9	T1=376,6	T1=402,5	T1=423,2
  °K	T2=457,7÷596,1	T2=457,9÷596	T2=457,9÷596	T2=458÷596,5	T2=457÷596
  °K	T4=750÷601	T4=750÷601	T4=750÷601	T4=750,÷601	T4=750÷601
  kg/s	m =1,364÷1,54	m=1,217÷1,35	m=1,13÷1,25	m=1,0778÷ 1,183	m=1,0349÷ 1,1309
  m3/s	V1=1,0148÷1,29	V1 = const	V1 = const	V1 = const	V1 = const
  m3/s	V4=2,71÷2,44	V4 = const	V4 = const	V4= const	V4 = const
  kW	WV=283÷588	WV=297,6÷729	WV=268÷799	WV=217÷832	WV=152,4÷ 840,7
  kW	WP=-244÷-213	WP=-367,5÷ -316,5	WP=-467,7÷ -399,8	WP=-554,5÷ -471,5	WP=-633,5÷ -536,7
  kW	WE=-534÷-880	WE=-804,1÷ -1306	WE=-1024÷ -1650	WE=-1213÷ -1947	WE=-1385÷ -2212
  kW	ΣW=-495÷-506	ΣW=-874,1÷ -893,5	ΣW=-1223÷ -1251	ΣW=-1551,1÷ -1586	ΣW=-1866,3÷ -1908,3
  m	dV=0,0703÷ 0,0732	dV= const	dV= const	dV= const	dV= const
  m	dE=0,0936÷ 0,0905	dE= const	dE= const	dE= const	dE= const

• Die Vorbedingung, dass überall p₄ = 1,1 bar sei, bedeutet einerseits, dass der Abgasausstoß in die Atmosphäre erfolgt, und andererseits, dass die Expansionsstufe (beide Teilstufen) eine völlige Ausdehnung des Luft-Gas-Dampf-Gemisches ermöglicht. Dies führt zur größeren Länge der Expansionsstufe. Man kann beobachten, dass die Temperatur der in die Verdichter der Kraftmaschine eintretenden Luft T₁ auf die Temperatur der Luft von der Komprimierung im Frontluftverdichter abgestimmt ist. Die Masse der eintretenden Luft verändert sich mit Erhöhung des Luftaufladungsdrucks sowie Erhöhung des Arbeitsdrucks in der Stufe (P₄ + 7÷22 bar) bei unveränderter Dichte. Das Volumen von Luft und Gas und die Durchmessergröße bleiben unverändert, was der Vorbedingung entspricht, dass die Abmessungen der Maschine ständig dieselben (unverändert) bleiben.
• Die summierte mechanische Leistung ΣW erhöht sich bei P₄ = 1,1 bar, 2 bar, 3 bar, 4 bar, 5 bar relativ gleichmäßig, ungefähr von 500 kW bis 1900 kW. Selbstverständlich wächst der Kraftstoffverbrauch entsprechend. Weil sich die thermischen Bedingungen der gesamten Anlage steuern und Wärmeverluste teilweise utilisieren lassen, erwartet man verbesserte Werte des Kraftstoffverbrauchs als einfach entsprechend der Leistung multiplizierte Werte. Allerdings gehen die Abgaswärme und Wärme bei Durchlüftung der Drucklufthülse verloren. Man beobachtet mehr als vierfach größere Werte der Leistung der Expansionsstufe der Drehkolbenkraftmaschine bei fast vierfacher Erhöhung der Leistung der Drehkolbenkraftmaschine. Die Ausmaße des Frontluftverdichters und entsprechend seine Produktivität bezüglich der Druckluftmassen kann man auf die Bedürfnisse der Drehkolbenkraftmaschine und Durchlüftung der Drucklufthülse begrenzen. Die erhöhte Leistung der gesamten Anlage kann man auf drei Leistungswellen verteilen oder einen Frontluftverdichter mit großen Druckluftmassen für andere Ziele, etwa für ein Luftfahrttriebwerk, verwenden. Tabelle von Variante 3

  	PW=400kW	PW=400kW	PW=400kW	PW=400kW	PW=400kW
  	p1=1,01325bar	p1=2bar	p1=3bar	p1=4bar	p1=5bar
  	p4=1,1bar	p4=2bar	p4=3bar	p4=4bar	p4=5bar
  	ρ=1,1881 kg/m3	ρ=1,1881 kg/m3	ρ=1,1881 kg/m3	ρ=1,1881 kg/m3	ρ=1,1881kg/m3
  °K	T1=293	T1=342,9	T1=376,6	T1=402,5	T1=423,2
  °K	T2=457,7÷596,1	T2=397÷517	T2=457,9÷596	T2=458÷596,5	T2=457,4÷596
  °K	T4=750÷601	T4=842÷674,6	T4=910,7÷ 730	T4=862,9,÷771	T4=1005÷805,5
  kg/s	m =1,36÷1,54	m=1,68÷1,376	m=1,682÷ 1,7567	m=1,826÷ 1,894	m=1,9597÷ 1,9271
  m3/s	V1=1,0148÷1,29	V1 = const	V1 = const	V1 = const	V1 = const
  m3/s	V4=2,71÷2,44	V4 = const	V4 = const	V4 = const	V4= const
  kW	WV=283÷588	WV=335,1÷742	WV=397,4÷ 1122	WV=367,2÷ 1300,5	WV=288,6÷ 1432,6
  kW	WP=-244÷-213	WP=-525,4÷ -434	WP=-693,5÷ -561,3	WP=-936,3÷ -737,1	WP=-1200÷ -914,7
  kW	WE=-534÷-880	WE=-747,7÷ -1294,8	WE=-762,5÷ -1685	WE=-701÷ -1943.7	WE=-549,3÷ -2136,1
  kW	ΣW=-495÷-505	ΣW=-938÷ -986,9	ΣW=-1058,6÷ -1124,2	ΣW=-1273,1÷ -1380,3	ΣW=-1460,5÷ -1618,1
  m	dV=0,0703÷ 0,0732	dV= const	dV= const	dV= const	dV= const
  m	dE=0,0936÷ 0,0905	dE= const	dE= const	dE= const	dE= const

• Die Vorbedingung, dass der Auspuffdruck p₄ überall ist ähnlich groß wie der Aufladungsdruck sei, bedeutet einerseits, dass der Abgasausstoß in die Drucklufthülse erfolgt, und andererseits, dass die Expansionsstufe (Teilstufen) keine völlige Ausdehnung des Luft-Gas-Dampf-Gemisches benötigt. Es führt zu einer kleineren Länge der Expansionsstufe und damit der gesamten Anlage. Man kann beobachten, dass die Temperatur der in die Verdichter der Kraftmaschine eintretenden Luft T₁ auf die Temperatur der Luft von Komprimierung in der Frontluftverdichter abgestimmt ist. Die Masse der eintretenden Luft verändert sich bedeutend mit Erhöhung des Luftaufladungsdrucks sowie Erhöhung des Arbeitsdrucks in der Stufe (P₄ + 7÷22 bar), ungeachtet des unveränderten Wertes ihrer Dichte, was der künstlichen Vorbedingung entspricht, dass die Abmessungen der Maschine ständig dieselben (unverändert) bleiben. Darum bleiben das Volumen von Luft und Gas und die Durchmessergrößen der Läufer unverändert.
• Die summierte mechanische Leistung ΣW erhöht sich bei P₄ = 1,1 bar, 2 bar, 3 bar, 4 bar, 5 bar relativ gleichmäßig, ungefähr von 500 kW bis 1600 kW. Man beobachtet mehr als vierfach größere Werte der mechanischen Leistung der Expansionsstufe bei mehr als dreifacher Erhöhung der Leistung der Kraftmaschine. Weil man allerdings eine Durchlüftung der Drucklufthülse braucht, ist es zielgemäß, dass man die ganze erhöhte Leistung der Kraftmaschine für einen Frontluftverdichter mit großen Druckluftmassen, etwa in einem Triebwerk mit Vorschub und Aufwärtsschub für ein Flugzeug mit Kurzstreckenstartfähigkeit, verwendet. Dabei lassen die thermischen Bedingungen in der Drucklufthülse sich steuern und thermodynamische Wärmeverluste aus der Kraftmaschine, darunter die Wärme von Abgasen, verwerten, nämlich als zusätzliche Quelle für eine Erhöhung der Energie der Druckluftmasse ausnutzen. Dadurch erwartet man die viel größeren Werte der Leistung der gesamten Anlage und seiner thermodynamischen Wirkungsgrade.
• Es folgen Erläuterungen zu Ausführungsformen von Triebwerksanlagen nach den Ansprüchen 7, 8 und 9, die von vorne mit verschiedenen Frontluftverdichtern ausgerüstet sind, die dem Luftverdichter der Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess nach DE 10 2013 016 274 B4 ähnlich gebaut sind, aber verschiedene konstruktive Änderungen haben.
• Triebwerksanlage nach Variante 1 (s. Figur 1a-1g)
• Der Frontluftverdichter (1) der gezeigten Triebwerksanlage nach Variante 1 ist eine Vorrichtung, die ähnlich gebaut ist wie die Verdichterstufe der Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess, die als Antrieb in dem vorliegenden Triebwerk verwendet und in der DE 10 2013 016 274 B4 beschrieben ist, aber dabei relativ vergrößerte Dimensionen und durch ein veränderbares (z. B. auswechselbares) Reduziergetriebe variable Drehzahlen aufweist. Die vorliegende Variante beinhaltet einen ähnlich wie bei der patentierten Drehkolbenkraftmaschine gebauten Frontluftverdichter mitsamt selbstreinigenden Filteranlagen, einem System zur Steuerung der Gasarbeitstemperatur sowie einem auswechselbaren Reduziergetriebe, um auf einfache Weise die Leistung der Drehkolbenkraftmaschine mit variablen Drehzahlen an Bedürfnisse des Frontluftverdichters in dieser Variante anzupassen. Diese Triebwerksanlage kann man als eine Art Kraftmaschine mit erhöhter Leistung anwenden.
• Triebwerksanlage nach Variante 2 (s. Figur 2a-2f)
• Die vorliegende Variante der Triebwerksanlage weist einen ähnlich wie bei der patentierten Drehkolbenkraftmaschine gebauten Frontluftverdichter mitsamt selbstreinigenden Filteranlagen, System zur Steuerung der Gasarbeitstemperatur sowie einem auswechselbaren Reduziergetriebe, um auf einfache Weise die Leistung der Drehkolbenkraftmaschine an Bedürfnisse des Frontluftverdichters in dieser Variante mit variablen Drehzahlen anzupassen, auf. Dabei zeigt aber der Frontluftverdichter in dieser Variante vergrößerte Dimensionen mit einem erhöhten Durchmesserverhältnis der Verdichtungskammern zu den Nebenläufern von 2,66:1, um ein großes Druckmoment für die Welle eines Gebläses bzw. Turbopropvortriebs oder die erhöhten Druckluftmassen bei Anwendung der Triebwerksanlage in Flugzeugen mit Kurzstreckenstart und -landung zu gewährleisten. Für den Auftrieb ist in dieser Variante eine steuerbare storeartige, zentral beim Zentrum der Gewichtmassen in der Drucklufthülse eingebaute Luftstrahldüse vorgesehen. Drei kleinere seitliche, als Drosselschieber gebaute Luftstromdüsen sind für die seitliche Lagebestimmung des Flugzeugs sowie eine lenkbare sphäroidische Luftstrahldüse für Vortrieb und Steuerung hinten an der Triebwerksanlage vorgesehen.
• Triebwerksanlage nach Variante 3 (s. Figur 3a-3f)
• Die vorliegende Variante der Triebwerksanlage weist einen ähnlich wie bei der patentierten Drehkolbenkraftmaschine gebauten Frontluftverdichter mitsamt selbstreinigenden Filteranlagen, System zur Steuerung der Gasarbeitstemperatur sowie einem auswechselbaren Reduziergetriebe auf. Dabei zeigt der Frontluftverdichter in dieser Variante die vier Nebenrotoren mit einem erhöhten Durchmesserverhältnis der Verdichtungskammern zu den Nebenläufern von 2,66:1, um Produzieren eines großen Druckmomentes für die Welle des Gebläses bzw. Turbopropvortriebs oder erhöhte Druckluftmassen für Druckluftstrahldüsen bei Anwendung der Triebwerksanlage in Flugzeugen mit Kurzstreckenstart und -landung bzw. Vertikalstart und -landung zu gewährleisten. Für den Auftrieb ist in dieser Variante eine steuerbare storeartige, zentral in der Drucklufthülse beim Zentrum der Gewichtmassen eingebaute Luftstrahldüse vorgesehen. Drei kleinere seitliche, als Drosselschieber gebaute Luftstromdüsen sind für die seitliche Lagebestimmung des Flugzeugs sowie eine lenkbare sphäroidische Luftstrahldüse für Vortrieb und Steuerung hinten an der Triebwerksanlage vorgesehen.
• Gemeinsame Beschreibung des Frontluftverdichters
• Für die Erfüllung seiner Hauptfunktion hat der Frontluftverdichter drei bzw. vier Nebenläufer (4), jeder mit Verdrängungskamm (57) und Verdichterraum mit Ansauglängsöffnung (55) für den Eintritt der Luft, sowie den Hauptläufer (3) mit drei bzw. vier Längsvertiefungen (61) und einem freien inneren Raum (39) für die komprimierte Luft. Alle Nebenläufer sind mit einer Längsverzahnung (64) mit dem Hauptläufer verbunden und drehen sich synchron mit ihm mit dreifacher bzw. vierfacher Drehzahl, denn das Durchmesserverhältnis jedes Nebenläufers zum Hauptläufer beträgt 1:3 bzw. 1:4.
• Die spezifischen Profile der Längsvertiefungen (61) des Hauptläufers (3) und der Verdrängungskämme (57) des Nebenläufers (4) sind in der DE 10 2009 005 107 B3 , oder hier in 5, gezeigt. Diese graphische Studie zeigt die Bildungslinien der Profile als Spuren der Vektorenspitzen auf Flächen des gegenseitigen Vektors, die beide Läufer bei ihrer gemeinsamen Bewegung mit verschieden Drehgeschwindigkeiten imitieren. Dabei bewegt sich ein Vektor des Kammes bei der Kammspitze mit Zentrum auf der Nebenläufersachse in seiner Fläche mit einer Winkelgeschwindigkeit, die dreimal bzw. viermal höher ist als die Winkelgeschwindigkeit, mit der sich ein Vektor der Längsvertiefung mit seiner Spitze im oberen Grenzpunkt der Vertiefung (61) und seinem Zentrum auf der Hauptläuferachse in seiner eigenen Fläche bewegt. Der Vektor des Kammes zeichnet das Profil der Vertiefung auf ihrer Fläche, wogegen der Vektor der Vertiefung das Profil des Kammes auf der Fläche des Kammes zeichnet. Die Drehungen mit Raten von 6° und 2°, bzw. 8° und 2°, entsprechen dem Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten des Läufers. Die Graphik dient für Ziele der Anschaulichkeit. Theoretische Profile mit beliebiger Präzision lassen sich mit Computern und mathematischen Methoden der Vektoralgebra bestimmen. Eine Hilfsvorrichtung (s. DE 10 2013 016 274 B4 ) ermöglicht es, die Bewegung der Vektoren zu simulieren und Profile auf den Oberflächen eines Werkstücks aufzuzeichnen. Die Kaliber, die man mit dieser Methode herstellen kann, sind geeignet für die Kontrolle bei Herstellung und Betriebsabnutzung der entsprechenden Teile.
• Durch drei Ansaugansätze (41) bzw. (105) wird Luft angesaugt und zu drei Luftfilteranlagen bzw. einer gemeinsamen Luftfilteranlage (5) geführt. In jedem Zyklus der Komprimierung stellt sich der Moment ein, wenn der Druck den Wert des Drucks im Innenraum des Hauptläufers (3) erlangt. Danach verdrängen die Kämme die komprimierten Portionen der Luft in das Innere des Hauptläufers durch längliche Eintrittsdruckklappen (45, 46). Dabei füllt jeweils schon eine weitere Portion der frischen Luft den Verdichtungsraum hinter dem Kamm auf und steht für den nächsten Zyklus der Komprimierung bereit.
• Die Dichtung jedes Verdichtungsraumes und der Vertiefungen im Hauptläufer (3) ist mittels von einer Feder (58) belasteter länglicher Dichtleisten (59) und Stirn-Dichtleisten erreicht, die in den Verdrängungskämmen (57) angebracht sind (hier sind letztere nicht gezeigt). Bei großen Drehzahlen werden alle Dichtleisten trotz Wirkung der Feder durch spezielle Einrichtungen mit mitrotierenden Gegengewichten (62) zurück in die Kämme eingezogen, um einen starken Bremseffekt durch Reibung abzuwenden. Die Luft- und Gasverluste bei großen Drehzahlen sind relativ geringer als bei kleinen Drehzahlen, außerdem sind sie durch Öleinspritzung bei den Dichtleisten reduziert.
• Der Frontluftverdichter (1) hat auch ein System für Vortrieb (6) und Steuerung (42) sowie völlige oder partielle Ausschaltung (65, 72, 73) bzw. (103, 106, 107) der Luftfilteranlagen (5). Die Luftfilteranlagen (5) haben einen ähnlichen Aufbau wie bei der Drehkolbenmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess. Dafür sind diese Luftfilteranlagen mit drei bzw. vier Steuerventilen (54) mit zugehörigem Übertragungsgetriebe vom Nebenläufer (4, 42, 108), Ventilbuchsen mit zugehörigem Riemengetriebe (109, 111) und Stellgetriebe (43) bzw. (40) für synchrone Umstellung der Ventilbuchsen sowie einem Getriebe (68, 66, 67) mit Stellgetriebe (70) für die Bewegung der Filterschleifen ausgestattet (s. dafür die ähnliche Konstruktion von Drehkolbenkraftmaschinen in einem speziellen weiteren Abschnitt).
• Also sind über die Ansauglängsöffnungen (55) in allen Filteranlagen die Filterlaufbänder (68) aufgestellt, die als unendliche Schleifenlaufbänder eingerichtet und von Stellgetrieben (70) mit variabler Geschwindigkeit durch die Filtereinrichtungen geschoben werden. Die Laufbänder werden von überflüssiger Luft, die teilweise aus der Kompressionskammer ausgestoßen wird, durchblasen. Ein Laufbandabschnitt verwirklicht dann die Filtration der Ansaugluft, ein benachbarter Bereich parallel dazu die Spülung des Laufbands, so dass der Schmutz durch die Schmutzluftleitung (2) in die Umgebung ausgeblasen werden kann. Bei Bedarf kann man jede Filteranlage durch den Umleitkanal (65) bzw. (103) durch Sperrschieber (72) bzw. (106) mit Stellgetriebe (73) bzw. (107) ausschalten. Der Frontluftverdichter (1) hat ein eigenes Getriebe mit Ritzel (6) für das Betreiben der eigenen Nebenläufer. Daneben hat die Anlage eine Welle, die als Hauptleistungswelle (44) der gesamten Anlage dient.
• Aus dem Raum des Hauptläufers (3) und Innenraum des Frontluftverdichters (1), die auch als Speicher dienen, fließt die Druckluft durch drei bzw. vier Druckluftleitungen (38) in die Drucklufthülse (12) mit der Drehkolbenmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess im Inneren, die als Betreiber für den Frontluftverdichter (1) dient. Eine Verbindungseinheit (50) verbindet den Frontluftverdichter (1) mit der Drucklufthülse (12) und dient als Abteilung der bedienenden Aggregate für die gesamte Anlage. Durch die Einheit (50) sind eine Antriebswelle (37) von der Drehkolbenkraftmaschine zum Frontluftverdichter (1) mit einem Getriebe aus einem Kegelradpaar (51) mit Schaltkupplungen (49) und Hochleistungs-GFT-Radialdichtung (47) vom Typ 103 für den Antrieb der Bedienungsaggregate sowie zusätzliche Leistungswellen (48, 52) verlegt, die bei Bedarf als Verteiler der Leistung von der Gesamtanlage zu einem anderen Benutzer ausgenutzt werden können.
• Verbindungseinheit (50)
• Die Verbindungseinheit (50) besteht aus einem Anschlussstück, das mit leicht trennbaren Verbindungen (53) den Frontluftverdichter (1) mit der Drucklufthülse (12) verbindet. Durch die Verbindungseinheit (50) sind die Antriebswelle (37) zum Frontluftverdichter (1), bzw. die zusätzlichen Leistungswellen (48, 52) mittels des Kegelradpaars (51) sowie die drei bzw. vier Druckluftleitungen (38) verlegt, wobei die Leistungswelle (48) mit einer Schaltkupplung (49) zu einem parallelen Triebwerk oder einem anderen Leistungsverbraucher und Hochleistungs-GFT-Radialdichtungen (47) versehen ist. In der Verbindungseinheit (50) sind auch Kühlluftleitungen (7, 8) untergebracht. Der freie Raum ist mit Bedienungsaggregaten besetzt, die von der Leistungswelle (52) getrieben sind.
• Drucklufthülse (12)
• Die Drucklufthülse (12) besteht aus drei durch eine Verbindung (53) leicht trennbaren Einheiten: aus dem Vorderdeckel (10), zylindrischen Teil der Drucklufthülse (12) und Hinterdeckel (22). Durch den Vorderdeckel (13) führen die Antriebswelle (37), die drei bzw. vier Druckluftleitungen (38) vom Frontluftverdichter (1) und die drei bzw. vier Sätze der Elemente des Dampf-Gas-Zyklus (23) zu den Nebenläufern der innen in der Hülse untergebrachten Drehkolbenkraftmaschine. Der mittlere Teil der Drucklufthülse (12), führt die drei bzw. vier Ausstoßansätze (18) für Abgase der Drehkolbenkraftmaschine, Wärmetauscher (75) sowie die Stützelemente der Drehkolbenkraftmaschine zur Drucklufthülse (12).
• Der Unterteil der Hülse hat eine Gewölbe nach unten, in der eine Einführplatte (33) mit hydraulischen Leitungen (35), elektrischen Leitungen und Kraftstoff- oder Erdgasleitungen (36) zur Drehkolbenkraftmaschine sowie eine storeartige Luftstrahldüse für den Auftrieb, flankiert mit seitlichen bzw. vorderen Drosseldruckluftklappen (95) eigerichtet sind. Die storeartige Luftstrahldüse (91-94, 96-99) besteht aus zwei Stores (94) mit seitlichen Wänden (93), die mittels Hydrozylinder (91) auf Kugelführungen (92) und Führungsschiene (97) umgestellt werden können und so die Öffnung (99) der storeartigen Luftstrahldüse nach Maß und Lage regulieren. Diese vier Druckluftstrahldüsen gewährleisten nicht nur Auftrieb, sondern auch die Roll- und Rücksteuerung für das Flugzeug bei Kurzstreckenstart und -landung bzw. Vertikalstart und -landung.
• Auf dem Hinterdeckel (22) sind eine Druckschutzklappe (25) gemeinsam mit einer Lüftungseinrichtung (26) sowie die Elemente der Steuereinrichtung (27, 28) eines Brennrohrs der Drehkolbenkraftmaschine eingebaut. Von hinten zum Hinterdeckel (22) ist ein Holm (85) mitsamt einem Ansatz (84) und einer lenkbaren sphäroidischen Luftstrahldüse (s. DE 10 2015 015 756 A1 ) montiert. Der Ansatz (84) erfüllt die Funktion der Druckgasleitung und -sperrung mit Drosselung des Druckgasstroms durch eine Drosselscheibe (83) mit Stellgetriebe (82). Zwei Kugelführungen (86, 87), die mit dem Holm (85) verbunden sind, ermöglichen die Steuerung des lenkbaren Teils (87) der sphäroidischen Luftstrahldüse in der horizontalen und vertikalen Ebene. Bei Bedarf kann man auf dem lenkbaren Teil (87) auch eine ähnliche Einrichtung wie die Einrichtung mit Drosselscheibe (83) mit Stellgetriebe (82) zur Steuerung des Querschnitts der Düse im Bereich bis zur sogenannten Lavaldruckschwelle einsetzen, um der Entstehung von Schallmauerwellen bei Flügen auf verschiedenen Höhen vorzubeugen. Die leicht trennbaren Verbindungen (53) der Teile der Drucklufthülse miteinander oder mit der Verbindungseinheit (50) weisen von der Seite aufgelegte Spannvorrichtungen auf, die aus Versatzkopfschrauben (137) und Muttern (139) mit Gegengewinden bestehen (s. 2b, 3a).
• Drehkolbenkraftmaschine
• Für die Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess, die in die Drucklufthülse (12) eingebaut ist, gilt es größere Achtung zu widmen. Die Drehkolbenkraftmaschine kann mit drei oder vier Nebenläufern sowie mit einem Durchmesserverhältnis der Verdichtungskammer zur den Nebenläufern von 2:1 oder 2,66:1 gebildet sein.
• In allen Fällen besteht sie funktionell aus drei Stufen: aus der Verdichterstufe (15), einer Expansionsvorstufe (16) und einer Expansionsendstufe (19) sowie aus einer Einheit im Inneren, die ein Einlassrohr, das Brennrohr mit der Brennkammer und ein Verbindungsrohr vereint, durch das Verbindungsrohr unbeweglich auf dem Gehäuse der Verdichterstufe (15) befestigt ist und sich durch alle drei Stufen erstreckt. Ein Vorder- (13) und ein Rückdeckel (100) mit eingebauten Steuerorganen, Lagern und Getrieben ergänzen die Gestalt der Drehkolbenkraftmaschine. Diese sechs Einheiten bilden die Hauptgliederungsteile der Drehkolbenkraftmaschine. Die Expansionsvorstufe (16) und Expansionsendstufe (19) bilden zusammen eine Motorstufe der Drehkolbenkraftmaschine.
• Auf der Verdichterstufe (15) sind keine Luftfilter montiert. Ein Getriebe verbindet von vorne über die drei bzw. vier Ritzel (9) und die Antriebswelle (37) die Drehkolbenkraftmaschine mit dem Frontluftverdichter (1). Zusätzliche Bedienungseinrichtungen sind Wärmetauscher (75), Aggregate von Hilfssystemen - überwiegend in dem Abteil der Verbindungseinheit (50) - sowie eine Armatur und ein Rahmen für die Verbindung zur Drucklufthülse (12) (nicht näher gezeigt). Im Inneren der Drucklufthülse (12) sind auch spezielle Druckluftleitungen (31) für die eintretende Druckluft zu länglichen Einlassöffnungen (32) der Verdichterstufe (15) verlegt (ganz auch nicht gezeigt), um die Auspuffgase von der Kraftmaschine, die in die Druckluft der Drucklufthülse (12) bei etlichen Anwendungen des Triebwerks ausgeschoben werden können, nicht in die Einlassöffnungen (32) gelangen zu lassen. Gasauslassöffnungen der Expansionsendstufe (19) können in verschiedenen Ausfertigungen vertreten sein: mit Abfuhrleitungen, die durch einen Abfuhrkollektor (nicht gezeigt) mit der Atmosphäre verbunden sind, oder mit Auslassklappen (30), die einen Auslass der Abgase in die Drucklufthülse (12) öffnen können.
• Das thermodynamische Modell und Berechnungsalgorithmen der Charakteristika der Kraftmaschine spiegeln Besonderheiten wider, die von der Kombination von Teilen eines Kolbenmotors und einer Turbinen-Brennkammer herrühren (s. dafür Thermodynamische Charakteristika der dreistufigen Drehkolbenmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess, ISBN 978-3-95404-751-2, Cuvillier-Verlag Göttingen, 2014). Der Prozess, der quantitativ das Ausmaß des Förderstromes bestimmt, ist der kontinuierliche Verbrennungsprozess (Joule-Prozess) in der Brennkammer. Die Grundlage dafür bildet die thermodynamische Gesetzmäßigkeit, dass der nützliche Teil der Energie des Gasstromes - die mechanische Leistung (bei Mitberechnung der reversiblen polytropischen Verdichterarbeit) - durch die spezifischen Wärmekapazitäten c_v und c_p sowie die Masse (Gewichtsmenge) und Temperatur des Gases in der Brennkammer definiert ist. (Dabei ist die Temperatur gerade durch Verdichterarbeit erhöht und schon im Voraus vom Operateur beordert.) Diese Gesetzmäßigkeit ermöglicht es, die Masse des Förderstroms pro Sekunde m_1/s bei beorderter Leistung zu ermitteln, nämlich das Gewicht der Ansaugluft pro Sekunde. (Das Gewicht des Kraftstoffes ist bei der Masse des Förderstroms nicht mitgerechnet, seiner Nichtigkeit wegen.) $${\text{m}}_{1/\text{s}}=\frac{{\text{P}}_{\text{w}\text{,0}}}{{\text{c}}_{\text{v}}\left({\text{T}}_{21}-{\text{T}}_2\right)+{\text{c}}_{\text{p}}\left({\text{T}}_3-{\text{T}}_{21}\right)-{\text{c}}_{\text{v}}\left({\text{T}}_4-{\text{T}}_1\right)}$$

  
• Im Unterschied zu Joule-Prozessen in der Brennkammer sind die Prozesse der Komprimierung in der Verdichterstufe und der Entspannung in den Expansionsteilstufen durch Graphiken und Gleichungen in pV- und TS-Diagrammen (Carnot-Diagrammen) bestimmt und können mit entsprechenden Berechnungsalgorithmen berechnet werden. Die Anfangsbedingungen bei einem Berechnungsprogramm sind Daten von einer beorderten Leistung P_w,o, Drehzahlen n₆ min^-1 und verschiedenen Konstanten. Aufgrund dieser anfänglichen Daten kann man mit dem oben genannten Berechnungsprogramm die gesamten Parameter des Volumens und der Temperatur des Förderstroms errechnen.
• Die gesamten Parameter des Luft-Gas-Stroms werden mit den folgenden Schritten berechnet: Zuerst berechnet wird die vorherige Temperatur der Luft T °K (bei Bedarf) und die Masse des Förderstroms mit der oben angegebenen Formel, dann das Volumen des Stroms in den Stufen pro Sekunde V_K und V_E, für die ganze Skala der Temperaturen und Drucke des Gases in der Brennkammer. Darauf wird Leistung bei allen Stufen berechnet, nämlich die Leistung P_K, die für den Antrieb des Verdichters nötig ist, die Gasarbeit in der Expansionsräumen, darunter in der Brennkammer (bei p₃ = const.) P_2'-3, die summierte Leistung der Motorstufe P_M und die Leistung P_W als Bilanz der Leistungen. Dann werden die Charakteristika für die ganze Skala berechnet: der thermodynamische Wirkungsgrad η_VSeiliger und der effektive Wirkungsgrad η_e, der Kraftstoffverbrauch beim Maximal- und Nominal-Regime m_1/h und m_2/h, die abzuführende Wärme bei Kühlung der Verdichterstufe Q_Kühl.V. und Expansionsstufe Q_Kühl.E und schließlich die Durchmesser des Nebenläufers d_V und d_E sowie andere Parameter, die für die Analyse nötig sind (nämlich der „Schub der adaptierten Steuerdüse“ S_c und der „Luftüberfluss bei Brennen“ ω).
• Der Durchmesser des Nebenrotors ist durch Umrechnung der Durchmesser der Nebenrotoren der Verdichterstufe d_V und der Expansionsstufe d_M in einen gemeinsamen Durchmesser d (mit begleitenden Änderungen der Längen der Arbeitskammern) berechnet. Der Durchmesser d ist der Ausgangsparameter für die Berechnung aller anderen Ausmaße der Maschine, weil er die beorderten Verhältnisse der Abmessungen der Stufen bestimmt. Also ist es möglich, nach den Parametern des Volumens und der Temperatur des Förderstroms, die dieser in jeder Stufe annimmt, die Ausmaße der Arbeitsräume der Stufen für die ganze Skala der Temperaturen und Drucke zu berechnen.
• Das Programm, welches oben beschriebenen Berechnungsalgorithmen bei Ausnützung eines standardmäßigen Tabellenkalkulationscomputerprogramms (Microsoft Excel oder Microsoft Works) realisiert, berechnet eine Matrize der Bauvarianten der Maschine, für die als Koordinaten die absolute Temperatur mit der Skala T₃ °K = 973-1623 °K und der Druck mit der Skala p₃ = 7-22 bar dienen.
• Jedem Wert der Temperatur entspricht ein bestimmter Wert des Luftüberflusses bei Brennen, genannt ω.
• Aus dem breiten Feld der möglichen Bauvarianten kann man die Variante auserkiesen, die dem ausgewählten Temperaturbereich des Gases und Bestimmungen der Maschine entspricht. (Zum Beispiel ist für den experimentellen Prototyp der Temperaturbereich t° = 800-900 °C, T = 1023-1173 °K für anfängliche Experimente ausgewählt.)
  Also entspricht jedem Wert der Temperatur des Gases T₃ K in der Brennkammer vor dem Eintritt in die Expansionsvorstufe, der zum Auswahl steht, ein bestimmter Wert des Überflusses der Luft beim Brennen ω und die entsprechende Masse der pro Sekunde angesaugten Luft m₁ sowie die darauffolgende Änderung der Parameter ihrer Temperatur und ihres Drucks in dem Arbeitsprozess.
  Somit ist die Steuerung der Gastemperatur in dem Arbeitsprozess der Kraftmaschine möglich durch die Veränderung des Parameters des Überflusses der Luft beim Brennen ω von einem anfänglich niedrig ausgewählten Temperaturbereich t° = 800-900 °C (T = 1023-1173 °K zu höheren Temperaturen des Gases und zurück.
• Eine ausführliche Darstellung und Beschreibung der beiden Versionen der Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess finden sich in einer gesonderten Patentanmeldung Akz. 10 2017 113 550.2, die auf den Patenten DE 10 2012 011 068 B4 und DE 10 2013 016 274 B4 aufbaut, mit Zeichnungen 4a-4t und 5a-5t und einer eigenen Bezugszeichenliste.
• Bezugszeichenliste

1

Frontluftverdichter

2

Schmutzluftleitung

3

Hauptläufer

4

Nebenläufer

5

Luftfilteranlage

6

Ritzel des auswechselbaren Getriebes

7

Kühlluftleitung

8

Kühlluftleitung

9

Ritzel der gemeinsamen Getriebe der Drehkolbenkraftmaschine

10

Vorderdeckel der Drucklufthülse

11

Welle des Nebenläufers

12

Drucklufthülse

13

Vorderdeckel der Drehkolbenkraftmaschine

14

Auslassöffnung für Ausstoßluft

15

Verdichterstufe

16

Expansionsvorstufe

17

Äußere Gasleitungen zwischen Stufen

18

Ausstoßansatz

19

Expansionsendstufe

20

Auspuffflansch

21

Einlassstutzen

22

Hinterdeckel der Druckhülse

23

Satz der Elemente des Dampf-Gas-Zyklus

24

Stellgetriebe für Ausstoßluft

25

Druckschutzklappe

26

Lüftungseinrichtung

27

Zahnradsegment

28

Getriebe des Zahnradsegments

29

Auslassstutzen

30

Auslassklappe

31

Druckluftleitung

32

Ansauglängsöffnung

33

Einführplatte

34

Stellgetriebe der Steuerventiler der Kraftmaschine

35

Auslassstutzen

36

Kraftstoff- oder Erdgasleitung

37

Antriebswelle zum Frontluftverdichter

38

Druckluftleitung

39

freier innerer Raum

40

Büchse des Steuerventils

41

Ansaugansatz

42

Riemengetriebe

43

Stellgetriebe der Steuerventile des Frontluftverdichters

44

Hauptleistungswelle

45

längliche Eintrittsdruckklappe

46

längliche Eintrittsdruckklappe

47

Hochleistungs-GFT-Radialdichtung

48

zusätzliche Leistungswelle

49

Schaltkupplung

50

Verbindungseinheit

51

Kegelradpaar

52

zusätzliche Leistungswelle

53

leicht trennbare Verbindung (bedient dargestellt)

54

Steuerventil

55

Ansauglängsöffnung

56

Stützwalze

57

Verdrängungskamm

58

Feder

59

längliche Dichtleiste

60

längliche Ausstoßöffnung des Steuerventils

61

Längsvertiefung des Hauptläufers

62

Gegengewicht

64

Längsverzahnung

65

Umleitkanal

66

Spannwalze

67

Triebwalze

68

Filterlaufband

69

Rillenkugellager

70

Stellgetriebe für Triebwalze

72

Sperrschieber

73

Stellgetriebe für Sperrschieber

74

Steuerventil der Verdichterstufe der Drehkolbenkraftmaschine

75

Wärmetauscher

76

Verdrängungskamm der Verdichterstufe

77

Hauptläufer der Drehkolbenkraftmaschine

78

Sperrventil in Expansionsendstufe

79

Auslasslängsöffnung

80

Verdrängungskamm in Expansionsendstufe

81

äußerer Wärmetauscher

82

Stellgetriebe für Drosselscheibe

83

Drosselscheibe

84

Ansatz mit Drosselscheibe

85

Holm

86

vertikale Kugelführung

87

lenkbarer Teil der sphäroidischen Luftstrahldüse

88

Stellgetriebe der vertikalen Kugelführung

89

horizontale Kugelführung

90

Stellgetriebe der horizontalen Kugelführung

91

Hydrozylinder

92

Kugelführung des Stores

93

Seitliche Wand des Stores

94

Store der Luftstrahldüse

95

seitliche, bzw. vordere Drosseldruckluftklappe

96

Kontursitz mit Dichtung

97

Führungsschiene

98

Fußlage der Kugelführung

99

Öffnung der storeartigen Luftstrahldüse

100

Rückdeckel der Drehkolbenkraftmaschine

103

Ausstoßkanal

104

Ansaugkanal

105

Ansaugansatz

108

Zwischenrad des Getriebes des Steuerventils

109

Stellgetriebe der Riemeneinrichtung

110

Spannwalze

111

Riemen

112

Flansch des Vorderdeckels des Frontluftverdichters

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 2009732 A [0004]
• DE 19711084 A1 [0004]
• US 3203406 A [0004]
• DE 102006038957 B3 [0006]
• DE 102009005107 B3 [0006, 0050]
• DE 102010006487 B4 [0006]
• DE 102012011068 B4 [0006, 0011, 0070]
• DE 102013016274 B4 [0006, 0011, 0021, 0022, 0045, 0046, 0050, 0070]
• DE 102015015756 A1 [0013, 0015, 0018, 0028, 0059]
• DE 102010020681 A1 [0014]

Claims (18)

1. Verfahren zum Multiplizieren der Leistung einer Kraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftvorladung mittels eines Frontluftverdichters (1) und einer künstlichen Druckluftumgebung um die Kraftmaschine mittels einer Drucklufthülse (12) vorgesehen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Frontluftverdichter (1) ein Turbokompressor eines Turbinen-Luftstrahltriebwerks mit noch nicht verbrauchter Ressource eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Frontluftverdichter (1) ein Schraubenverdichter eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Frontluftverdichter (1) ein Luftverdichter, der dem Luftverdichter einer Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess ähnlich gebaut ist, aber vergrößerte Abmessungen aufweist, eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die Kraftmaschine eine Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess eingesetzt wird.
6. Triebwerksanlage mit einer Kraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftvorladung der Kraftmaschine mittels eines Frontluftverdichters (1) und einer künstlichen Druckluftumgebung um die Kraftmaschine mittels einer Drucklufthülse (12) vorgesehen ist.
7. Triebwerksanlage nach Anspruch 6 für vielseitige Anwendung, gekennzeichnet durch den Frontluftverdichter (1), eine Verbindungseinheit (50) mit Druckluftleitungen (38), die Drucklufthülse (12) sowie eine Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess mit drei Nebenläufern (4), die in der Drucklufthülse (12) untergebracht ist.
8. Triebwerksanlage nach Anspruch 7 für die Anwendung in einem Flugzeug mit Kurzstreckenstart und -landung, gekennzeichnet durch: eine steuerbare storeartige Luftstrahldüse (91-94, 96-99) für Auftrieb und drei kleinere seitliche Luftstromdüsen zur seitlichen Lagebestimmung des Flugzeugs in einem nach unten gewölbten Teil der Drucklufthülse (12) sowie eine lenkbare sphäroidische Luftstrahldüse für Vortrieb und Lagesteuerung hinten an der Triebwerksanlage.
9. Triebwerksanlage nach Anspruch 6 für die Anwendung in einem Flugzeug mit Kurzstreckenstart und -landung, gekennzeichnet durch: ein Gebläse oder einen Turbopropvortrieb vorne, den Frontluftverdichter (1), eine Verbindungseinheit (50), die Drucklufthülse (12), eine Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess mit vier Nebenläufern (4) und mit einem erhöhten Durchmesserverhältnis der Verdichtungskammern zu den Nebenläufern (4) von 2,66:1, die in der Drucklufthülse (12) untergebracht ist, eine storeartige Luftstrahldüse (91-94, 96-99) für Auftrieb und drei kleinere seitliche Luftstromdüsen zur seitlichen Lagebestimmung des Flugzeugs in einem nach unten gewölbten Teil der Drucklufthülse (12) sowie eine lenkbare sphäroidische Luftstrahldüse für Vortrieb und Lagesteuerung des Flugzeugs hinten an der Triebwerksanlage.
10. Triebwerksanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Frontluftverdichter (1) der Verdichterstufe einer Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess und drei oder vier Nebenläufern ähnlich gebaut ist, aber dabei vergrößerte Dimensionen und durch ein auswechselbares Reduziergetriebe mit einem Ritzel (6) gegenüber der Kraftmaschine variable Drehzahlen zeigt, wobei er einen Hauptläufer (3), drei bzw. vier Nebenläufer (4), mindestens eine Filteranlage (5), ein Antriebsgetriebe (6), eine Antriebswelle (37) und eine Hauptleistungswelle (44) aufweist, wobei die Läufer untereinander eine Längsverzahnung (64) und ein Durchmesserverhältnis des Hauptläufers zum Nebenläufer von 3:1 bzw. 4:1 haben, wobei der Hauptläufer (3) drei bzw. vier Vertiefungen (61), einen freien inneren Raum (39), drei bzw. vier längliche in den Vertiefungen (61) eingerichtete Eintrittsdruckklappen (45) und drei bzw, vier längliche Sicherheitsdruckklappen (46) zum Innerraum sowie drei bzw. vier Druckluftleitungen (38) zur Drucklufthülse (12) aufweist, wobei die Nebenläufer (4) mit durch eine Feder (58) belasteten länglichen Dichtleisten (59) und Stirn-Dichtleisten, die in den Verdrängungskämmen (57) untergebracht sind, ausgestattet sind, wobei alle Dichtleisten trotz Wirkung der Feder (58) durch spezielle Einrichtungen mit mitrotierenden Gegengewichten (62) zurück in die Kämme (57) eingezogen werden können und eine Öleinspritzung in ein Laufspiel der Dichtleisten erfolgt, um einen Bremseffekt durch Reibung abzuschwächen, wobei ein System der Steuerung der Drucklufterzeugung durch drei bzw. vier Steuerventile (54) mit Ventilbuchsen (40), einem Übertragungsgetriebe (4, 42, 108) mit Riemen (111) für die Drehung der Steuerventile (54) des entsprechenden Nebenläufers (4) mit einem gemeinsamen Riemengetriebe (42) und Stellgetriebe (43), um die synchrone Umstellung der Ventilbuchsen zu gewährleisten, ausgestattet ist, wobei die mindestens eine Luftfilteranlage (5) als drei einzelne Luftfilteranlagen bzw. eine gemeinsame Luftfilteranlage ausgebildet ist, wobei mit Walzen (67) und Stellgetrieben (70) mindestens ein über Ansauglängsöffnungen (55) aufgestelltes Filterlaufband (68) mit variabler Geschwindigkeit durch die Filtereinrichtungen geschoben werden kann, wobei das mindestens eine Filterlaufband (68) von überflüssiger Luft, die aus Kompressionskammem teilweise ausgestoßen wird, durchblasen wird, wodurch ein Laufbandabschnitt dann die Filtration der Ansaugluft und ein benachbarter Bereich parallel die Spülung des Laufbands realisiert, sodass Schmutz durch Schmutzluftleitungen (2) in die Umgebung ausgeblasen, aber bei Bedarf jede Luftfilteranlage (5) durch einen Umleitkanal (65) mit einem Sperrschieber (72) und Stellgetriebe (73) ausgeschaltet werden kann.
11. Triebwerksanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinheit (50) den Frontluftverdichter (1) mit der Drucklufthülse (12) verbindet und als Abteilung bedienender Aggregate für die gesamte Anlage dient, wobei die Antriebswelle (37) von der Drehkolbenkraftmaschine zum Frontluftverdichter (1) sowie die Getriebe aus Kegelradpaaren (51) mit Schaltkupplungen (49) und Hochleistungs-GFT-Radialdichtung (29) zum Antrieb der Bedienungsaggregate und zusätzlichen Leistungswellen (48, 52) durch die Verbindungseinheit (50) verlegt sind und bei Bedarf als Verteiler die Leistung der Gesamtanlage für andere Benutzer ausnutzen können.
12. Triebwerksanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucklufthülse (12) aus drei leicht trennbaren Einheiten: einem Vorderdeckel (10), einem mittleren Teil der Drucklufthülse (12) und einem Hinterdeckel der Drucklufthülse (12) besteht, wobei durch den Vorderdeckel (10) der Drucklufthülse die Antriebswelle (37), die drei bzw. vier Druckluftleitungen (38) vom Frontluftverdichter (1), die drei bzw. vier Kühlluftleitungen (8) zu den Nebenläufern (4) und den Stellgetrieben der Steuerventile (34) der Drehkolbenkraftmaschine verlegt sind; wobei an dem mittleren Teil der Drucklufthülse (12) Ausstoßansätze (18) für Abgase der Drehkolbenkraftmaschine sowie in einer Wölbung eine Einführplatte (33) für elektrische, hydraulische und Kraftstoffkommunikationen zur innen eingerichteten dreistufigen Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess, Elemente der storeartigen Luftstrahldüse (93) sowie seitliche und vordere Drosseldruckluftklappe (95) eingerichtet sind; wobei in dem mittleren Teil der Drucklufthülse (12) die Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess mit drei bzw. vier Nebenläufern untergebracht ist; wobei an dem Hinterdeckel (22) eine Druckschutzklappe (25) oder Lüftungseinrichtung (26), Elemente einer Steuereinrichtung (27, 28) des Brennrohrs der Drehkolbenkraftmaschine sowie ein Ansatz (84) mit einer Drosselscheibe zur Leitung der Druckluft zur sphäroidischen Luftstrahldüse (87) eingerichtet sind.
13. Triebwerksanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 12, gekennzeichnet durch eine storeartige Luftstrahldüsenanlage (91-99), welche zwei Stores (94) mit seitlichen Wänden (93) für Auftrieb, flankiert mit seitlichen und/oder vorderen Drosseldruckluftklappen (95) für Roll- und Rückbewegungen in dem mittleren Teil der Drucklufthülse (12) umfasst, wobei die Stores (94) mit seitlichen Wänden (93) mittels Hydrozylindern (91) auf Kugelführungen (92) und Führungsschiene (97) umgestellt werden können und so die Öffnung (99) der storeartigen Luftstrahldüse nach Maß und Lage regulieren, um nicht nur Auftrieb und Lagesteuerung, sondern auch Roll- und Rücksteuerung für das Flugzeug bei Kurzstreckenstart und -landung oder Vertikalstart und -landung zu gewährleisten.
14. Triebwerksanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 13, gekennzeichnet durch eine Luftstrahldüseneinrichtung, die eine sphäroidische Luftstrahldüse mit einem lenkbaren Teil (87), vier Kugelführungen (86, 89) und Getriebe (88, 90) für die Umstellung der Sphäroiden sowie einen Ansatz (84) mit einer Drosselscheibe (83) und einem Stellgetriebe (82) aufweist, wobei alle auf einem von hinten zum Hinterdeckel (22) befestigten Holm (85) montiert sind und die Steuerung des Schubs des lenkbaren Teils der sphäroidischen Luftstrahldüse (87) nach Maß und Schubrichtung in der horizontalen und vertikalen Flächen gewährleisten.
15. Triebwerksanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmaschine eine Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess ist, die drei bzw. vier Nebenläufer, eine Verdichterstufe, eine Expansionsvorstufe, eine Expansionsendstufe sowie eine Einheit, die ein Brennrohr mit einer Brennkammer im Inneren und ein Verbindungsrohr vereint, aufweist, wobei die Verdichterstufe und die Expansionsteilstufen im wesentlichen identisch aufgebaut sind und jeweils einen Hauptläufer und drei bzw. vier Nebenläufer aufweisen, wobei die Nebenläufer jeweils außer in der Expansionsvorstufe aus einem zylindrischen Körper mit einem Verdrängungskamm mit Dichtleisten bestehen, wobei die Verdrängungskämme der Nebenläufer in allen Stufen mit drei bzw. vier profilierten Längsvertiefungen des Hauptläufers in Eingriff sind und dabei das Durchmesserverhältnis zwischen den Nebenläufern und dem Hauptläufer sowie das Übersetzungsverhältnis der gemeinsamen Längsverbindung und damit das Drehzahlverhältnis der Nebenläufer zum Hauptläufer 3:1 bzw. 4:1 beträgt, wobei in der Verdichterstufe Eintrittsdruckklappen und alle freien Innenräume des Hauptläufers als Druckluftspeicher und Druckluftglätter vorgesehen sind und Innenräume aller Stufen Ausgleichskanäle und profilierte Auslassöffnungen aufweisen, wobei Druckluft zur Kühlung des Hauptläufers und Brennrohrs in der Verdichter- und Expansionssteilstufen vor dem Lufteintritt in die Brennkammer vorgesehen ist, wobei sich die Brennkammer über die Verdichter- und über die Expansionsvorstufe erstreckt und im Inneren des Hauptläufers angeordnet ist, wobei die Brennkammer mit einem fest am Gehäuse fixierten Einlassrohr für Kraftstoff, Erdgas, und/oder Strom, einem zur Gasauslassteuerung zweiteilig ausgeführten Brennrohr mit Einlassöffnungen und von beiden Brennrohrteilen gebauten Auslassöffnungen vorgesehen ist, wobei das Brennrohr mit einem Zahngetriebe (28) und einem Zahnradsegment (27) zur Steuerung der Auslassöffnungen durch die begrenzte Drehung des beweglichen Teils gegenüber dem unbeweglichen Teil des Brennrohrs versehen ist, wobei die Expansionsstufe zweiteilig gebaut ist und aus einer größeren hitzebeständigen Expansionsvorstufe und einer Expansionsendstufe besteht, wobei die Innenräume der Expansionsvorstufe mit hitzebeständigen Schichten bedeckt sind, und in den ebenso mit hitzebeständigen Schichten bedeckten Verdrängungskämmen in dieser Stufe keine Dichtleisten und keine Öleinspritzung vorgesehen sind, wobei äußere Gasumleitungen von der Expansionsvorstufe zu der Expansionsendstufe wie auch Sperrventile an länglichen Zufuhröffnungen der Expansionsendstufe, die Verlusten bei Überlauf des Arbeitsgases in der Expansionsendstufe vorbeugen, vorgesehen sind, wobei die Einlassöffnungen in der Expansionsvorstufe am Grund der Längsvertiefungen des Hauptläufers angebracht sind und mit den gesteuerten Auslassöffnungen des Brennrohres in dem Moment kommunizieren, wenn die Verdrängungskämme während der Drehung die Einlassöffnungen hinter sich haben, wobei Schlitze in den Verdrängungskämmen der Verdichterstufe und Längsumleitöffnungen im Gehäuse in der Expansionsvorstufe vorgesehen sind, wobei alle Rotoren zur Drehabstimmung mit einer äußeren Verzahnung über ihre ganze Länge versehen sind, wobei durch Verbindung der Nebenläufer miteinander und entsprechende Ausbildung der Teilung des Hauptläufers in Expansionsvor- und Expansionsendstufe die Expansionsarbeit in den Stufen zeitlich gegeneinander verschoben ist, wobei eine Druckschutzklappe am hinteren Teil des Brennrohres vorgesehen ist, wobei Verbindungslatten zwischen den Dichtleisten und lose angebrachten Ausgleichgewichten in den Verdrängungskämmen der Verdichter- und Expansionsendstufe zum Fliehkräfteausgleich bei großen Drehzahlen sowie die abgefederte Dichtleisten an den Seiten der Kämmen zur Dichtung mit oberen Spitzen der Vertiefungen im Hauptläufer vorgesehen sind, wobei die Leistungswelle mit einem Leistungsgetriebe, das aus einem Zahnrad und Ritzeln besteht, angetrieben ist, wobei ein Flüssigkeitskühlsystem mit Ringkanälen und Einlass- und Auslassstutzen zur Kühlung aller Nadellager in allen Stufen, des Einlassrohrs mit Gleitringdichtungen und des vorderen Teils des Hauptläufers ausgelegt ist, wobei ein Kühlluftsystem zur Kühlung des Inneren aller Nebenrotoren in allen Stufen mit jeweils drei bzw. vier Kühllufteinlass- und Kühlluftauslassstutzen vorgesehen ist, wobei Stirn- und Seitenwände aller Stufen zweiteilig gebaut sind - jeweils von der Stirn- oder Seitenwand selbst und, bei jeder Stirnwand, einem Auflageteil mit Labyrinth-Kanälen für flüssige Kühlmittel oder, bei jeder Seitenwand, einer Hülse, die längliche Kanäle für flüssige Kühlmittel aufweist, wobei Einlass- und Auslassstutzen für die flüssigen Kühlmittel entsprechend eingerichtet sind und wobei bei der Drehkolbenkraftmaschine ein Abgassystem vorgesehen ist, das aus den Auslassöffnungen mit Absperreinrichtungen und Gasleitungen besteht.
16. Triebwerksanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas, das als Arbeitsmedium für Steuerdüsen genutzt werden kann, zum Gasleitungssystem des Flugzeugs durch einen Ausstoßansatz (18) geleitet wird, wobei das Abgas, wenn es im Horizontalflug für das Lagesteuerungssystem nicht benutzt wird, in den Druckluftstrom der Drucklufthülse (12) durch Flansche (20) einer Auslassöffnung ausgelassen wird und dabei die Energie des Druckluftstroms erhöht.
17. Triebwerksanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 16 mit einer Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmaschine keine Luftfilteranlagen aufweist, sondern die Luft bei Eintritt in den Frontluftverdichter (1) gereinigt wird.
18. Triebwerksanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 17 mit einer Drehkolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Brennprozess, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Getriebe für Nebenläufer und Hauptläufer als Antrieb des Frontluftverdichters (1), welches aus Zahnrad und Ritzel (9) besteht, an einem vorderen anstatt an einem hinteren Teil des Drehkolbenkraftmaschine vorgesehen ist.

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