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Dokumentenidentifikation DE102004061837A1 13.07.2006
Titel Turbinenmotor mit Fliehkraft-stabilisierter Verbrennung
Anmelder Jobb, Gangolf, 81739 München, DE
Erfinder Jobb, Gangolf, 81739 München, DE
Vertreter Diehl & Partner, 80333 München
DE-Anmeldedatum 22.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004061837
Offenlegungstag 13.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.07.2006
IPC-Hauptklasse F02C 7/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Der gewohnte Bauplan der Gasturbine wird von innen nach außen gekehrt: Brennraum und Luftstrahl rücken ins Zentrum des Triebwerks, die Funktion der ehemals zentralen Welle wird von der Triebwerkswand übernommen. Der Brennraum wird damit zur Zentrifuge. Flammgase werden durch Fliehkraft von den Wänden weg ins Zentrum der Brennkammer gedrückt. Querschnitt von Brennraum und Luftstrahl sind fortan kreisrund statt ringförmig.

Beschreibung[de]

Fast alle heutigen Flugzeuge und manche Schiffe werden von Gasturbinen angetrieben. Auch in Kraftwerken sind Gasturbinen im Einsatz. Es gibt sie in großer Formenvielfalt. Sie erzeugen Schub durch Beschleunigung von Luft oder treiben Propeller und Stromgeneratoren. Als Motoren großer Leistung besitzen Gasturbinen einen höheren Wirkungsgrad und eine erheblich höhere Leistungsdichte als Kolbenmotoren. Unterhalb von etwa 500 kW sind allerdings Kolbenmotoren günstiger. Für den effizienten und gewichtsparenden Antrieb von Kraftfahrzeugen kommen Gasturbinen herkömmlicher Bauart daher nicht in Frage. Angesichts der weltweit großen Anzahl von Kraftfahrzeugen wäre die Entwicklung kleiner und dennoch effizienter Gasturbinen sowohl ökologisch wie auch ökonomisch außerordentlich interessant.

Eine Gasturbine gliedert sich grundsätzlich in drei Abschnitte: Verdichter, Brennkammer und die eigentliche Turbine. Einströmende Luft wird im Verdichter komprimiert, beim Durchlaufen der nachfolgenden Stufen entspannt sie sich wieder. In dem so erzeugten Druckgradienten wird Treibstoff verbrannt. Die entstehenden, heißen Gase dehnen sich aus und werden dabei gegen den Druckgradienten beschleunigt. Dieser Vorgang entspricht genau dem bekannten Aufsteigen heißer Luft im Druckgradienten der Atmosphäre. Die beschleunigte Luft wird schließlich mit der nachfolgenden Turbine in Drehbewegung umgesetzt und teilweise zum Antrieb des Verdichters benutzt. Verdichter und Turbine sind über eine oder mehrere Wellen miteinander verbunden und stehen im Leistungsgleichgewicht.

Die wellen befinden sich im Zentrum der zylindrischen Gasturbine. Sie werden ringförmig vom Arbeitsgas umströmt. In einem ebenfalls ringförmig die Welle umgebenden Brennraum zwischen Verdichter und Turbine wird Treibstoff verbrannt und damit Energie zugeführt. Spezielle Brennkammerelemente sollen eine möglichst vollständige Verbrennung gewährleisten.

Der Verkleinerung von Gasturbinen sind verschiedene Grenzen gesetzt. Mit abnehmendem Triebwerksdurchmesser vergrößert sich das Verhältnis von reibender Triebwerkswand zur Querschnittsfläche des Luftstrahls. Leistung muss mit immer größeren Reibungsverlusten erkauft werden. Auch die im Triebwerk brennende Flamme ist bei gegebenem Druck nicht beliebig verkleinerbar. Wird die Flamme zu klein, dann erzeugt sie zu wenig Wärme um das heranströmende Luft-Brennstoff-Gemisch zu entzünden und erlischt. Immer mehr Treibstoff gerät bei abnehmender Flamme ins Abseits und verlässt das Triebwerk unverbrannt. Die Flamme wird daher üblicherweise durch Erhöhen des Drucks verkleinert. Die komprimierten Gase reagieren auf engerem Raum und erzeugen dabei entsprechend mehr Wärme pro Volumen als bei niedrigem Druck. Die Verbrennung bleibt effizient. Allerdings wird der erhöhte Druck mit den zusätzlichen Reibungsverlusten eines stärkeren Verdichters erkauft. Gleichzeitig erhöht sich die Flammtemperatur. Es kommt zur Bildung von Stickoxiden, erhöhtem Wärmeverlust durch Strahlung, und zu stärkerer thermischer Belastung des Materials.

Erfindung

Der gewohnte Bauplan der Gasturbine wird von innen nach außen gekehrt: Brennraum und Luftstrahl rücken ins Zentrum des Triebwerks, die Funktion der ehemals zentralen Welle wird von der Triebwerkswand übernommen. Der Brennraum wird damit zur Zentrifuge. Flammgase werden durch Fliehkraft von den Wänden weg ins Zentrum der Brennkammer gedrückt. Querschnitt von Brennraum und Luftstrahl sind fortan kreisrund statt ringförmig.

Bild 1 zeigt den Längsschnitt eines Strahltriebwerks zur Gewinnung von Schub, beispielsweise an einem Flugzeug. Ein rotationssymmetrischer Hohlkörper ist in seinem oberen Bereich drehbar um eine feste Achse gelagert. Er gliedert sich von oben nach unten in die bekannten Baugruppen der Gasturbine.

Der obere Teil ist der Verdichter. Die Pfeile weisen oben auf den ringförmigen Lufteinlass, unten in Ausströmrichtung. Die schraffierten Flächen sind Schaufelreihen. Bei schneller Rotation drücken flach angestellte Verdichterschaufeln die eintretende Luft relativ langsam, aber mit großer Kraft nach innen. Durch den einwärts abnehmenden Querschnitt des Einlasstrichters wird die Luft verdichtet. Gleichzeitig erhält die Luft einen Drehimpuls, der diese auf ihrem Weg nach innen immer schneller rotieren lässt. Es bildet sich ein Wirbel wie bei einer auslaufenden Badewanne. Der Verdichter ist so ausgelegt, dass die Luft am Ende mit der selben Geschwindigkeit rotiert wie das Triebwerk.

Der mittlere Teil ist die Brennkammer. Treibstoff wird durch die hohle Achse ins Zentrum des Luftwirbels eingespritzt und nährt die dort brennende Flamme. Die heißen Gase haben eine geringere Dichte als die umgebende Luft und werden durch Fliehkraft von den Wänden weg in die Mitte der Brennkammer gedrückt. Auch brennende Treibstofftröpfchen sowie noch nicht brennende Tröpfchen in deren Nähe erfahren durch Mikrokonvektion einen Sog in Richtung der Triebwerksachse, was mit dem Funkenflug eines Holzfeuers vergleichbar ist. Die Flamme wird in einem dünnen Plasmafaden zur Austrittsdüse geführt und ist durch eine Schicht aus rotierender Kaltluft von der Brennraumwand isoliert. Die heißen Verbrennungsgase werden bei ihrer Ausdehnung entlang des Plasmafadens beschleunigt und übertragen einen Teil ihres Impulses auf die benachbarte Kaltluft. Gleichzeitig sorgt der entstehende Geschwindigkeitsgradient für intensiven Sauerstofftransport in die Flamme sowie für zusätzlichen Sog auf die Treibstofftröpfchen nach innen. Große Tröpfchen werden dabei zerrissen. Die Verbrennung vollzieht sich im Strahlungsbrennpunkt der Brennkammer, der gerade mit der Rotationsachse zusammenfällt. Abgestrahlte Wärme wird auf die Flamme zurück geworfen und beschleunigt die Verbrennung.

Der untere Teil ist die Turbine. Ihre schraffiert dargestellten Luftschaufeln winden sich schraubenartig an der Triebwerkswand entlang durch die Austrittsdüse. Sie meiden den Kontakt mit den sehr heißen Luftschichten im Inneren des Strahls. Stattdessen verwendet die Turbine Impuls und Drehimpuls der immer noch kühlen, wandnahen Luftströmung zum Drehen des Triebwerks. Der heiße Mittelstrahl schießt hingegen durch die Düse hinaus und erzeugt Schub. An der Düse kommt es zu vermehrter Impulsübertragung von den inneren auf äußere Strahlschichten, so dass den Luftschaufeln an der Düsenwand ausreichend Kraft zufließt.

Bild 2 zeigt den Längsschnitt einer Gasturbine zur Gewinnung von Wellenarbeit, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug. Hier sind drei rotationssymmetrische Hohlkörper zwiebelschalenartig und drehbar ineinander geschachtelt. Jede Schale gliedert sich von oben nach unten in die bekannten Baugruppen der Gasturbine. Luftschaufeln sind schraffiert dargestellt. Die Pfeile zeigen die Fließrichtung der Luft an den umlaufenden Ein- und Austrittsöffnungen. Benachbarte Schalen drehen sich in entgegengesetzter Richtung. Die Verschachtelung beabsichtigt eine Kaskadierung des Verdichters, wobei jede Stufe von einem eigenen Turbinenanteil getrieben wird.

Treibstoff wird durch die obere Achse in den Luftwirbel der innersten Schale eingeblasen. Durch hohe Verdichtung, Fliehkraft-Stabilisierung und Wärmereflexion vollzieht sich auch hier die Verbrennung effizient und auf engstem Raum. Luft wird zur Turbine hin beschleunigt. Anders als bei obigem Strahltriebwerk wird hier der gesamte Luftstrahl auf die Luftschaufeln geleitet. Um thermische Beschädigung des Triebwerks zu vermeiden, muss zuvor der heiße Mittelstrahl auf eine erträgliche Temperatur abgekühlt werden. Dies geschieht am einfachsten durch Vermischen mit der außen rotierenden Kaltluft. Ein zusätzlicher Schaufelkranz am Ende der Brennstrecke verlangsamt die Rotation der Gassäule und hebt dadurch die Fliehkraft-Stabilisierung auf. Heiße und kalte Luft können sich danach vermischen. Auf der unteren Achse befindet sich noch ein Umlenkkörper aus feuerfestem Material, der die Reste des heißen Mittelstrahls von der Wand ablenkt.

Oberhalb des Verdichters kann man den ineinander geschachtelten Wellen eine Nutzleistung entnehmen und sie beispielsweise drei Stromgeneratoren zuführen. Die Restwärme der Abgase überträgt man am besten mittels eines Wärmetauschers auf die einströmende Frischluft.

Vorteile

Ein runder Luftstrahl hat an der Triebwerkswand eine deutlich kleinere Reibungsfläche als ein ringförmiger Strahl von gleicher Stärke. Dies mindert Reibungsverluste vor allem im Bereich zwischen Brennraum und Turbine, wo die Luft sehr schnell strömt.

Nimmt man die Flammgeometrie als begrenzenden Faktor bei der Miniaturisierung, dann kann ein Triebwerk mit einer einzelnen, zentralen Brennkammer erheblich kleiner gebaut sein als ein anderes, bei dem mehrere baugleiche Brennkammern ringförmig angeordnet sind.

Die Stabilisierung der Flamme durch Fliehkraft gewährleistet eine effiziente Verbrennung auch bei geringer Kompression. Es genügen kleinere Verdichter mit geringeren Reibungsverlusten. Triebwerke werden dadurch leichter und billiger.

Bei dem vorgeschlagenen Strahltriebwerk (Bild 1) werden die äußeren Schichten des austretenden Luftstrahls von den Schaufeln der Düsenwand stark gebremst. Der Übergang zwischen dem schnellen Mittelstrahl und der Umgebungsluft ist daher viel weicher als bei einem herkömmlichen Triebwerk, so dass mit geringerer Schallemission zu rechnen ist.

Der vorgeschlagene Turbinenmotor (Bild 2) könnte mit einer Vielzahl unterschiedlicher Brennstoffe betrieben werden. Außer brennbaren Flüssigkeiten und Gasen könnte man insbesondere auch feine Feststoffpartikel einblasen.

Ein Turbinengetriebenes Kraftfahrzeug könnte je nach Angebot mit unterschiedlichen Kraftstoffen betankt werden. Mit einem schnell drehenden Turbinenmotor könnte auf engstem Raum reichlich Strom für einen Hybridantrieb bereit gestellt werden.

Weitere Einsatzmöglichkeiten des Turbinenmotors sind die Stromgewinnung in Kraftwerken, sowie die kombinierte Strom-Wärme-Produktion in Haushalten und Gemeinden. Wirtschaftlich interessant wäre die effiziente Verstromung von Biomasse wie Ernteabfälle, Holzschnitzel oder Klärschlamm. Diese Stoffe müssten zuvor durch Trocknen und Mahlen in eine rieselfähige Form gebracht werden. Vorteilhaft wäre hierbei die direkte Umsetzung der Biomasse in nutzbare Drehbewegung.

Fliehkraft-stabilisierte Verbrennung eignet sich hervorragend zur Verfeuerung langsam brennender Stoffe. Die längere Brennzeit kann durch eine verlängerte Brennstrecke ausgeglichen werden. Gegenüber der sonst üblichen Wirbelschichtfeuerung durchläuft der Brennstoff hier die Brennkammer nur einmal. Die Rückgewinnung und das erneute Aufheizen des übrig gebliebenen Brennstoffs entfällt.

Die Fliehkraft-Stabilisierung eines Plasmas könnte sich einmal bei der Nutzung der Kernfusion als nützlich erweisen. Wenn die Kernfusion im Zentrum des vorgeschlagen Turbinenmotors erfolgte, dann würde Fusionsenergie direkt in Drehbewegung umgewandelt.


Anspruch[de]
  1. Gasturbinentriebwerk zum Erzeugen von Schub oder Wellenleistung,

    gekennzeichnet dadurch,

    dass dieses eine einzige, zentrale Brennkammer besitzt,

    dass die Übertragung des Drehmoments von der Turbine zum Verdichter über die Triebwerkswand erfolgt,

    dass die durchströmenden Gasmassen im inneren des Triebwerks stark rotieren,

    dass infolge der Rotation die heißen Flammgase durch Fliehkraft von den Wänden weg ins Zentrum des Triebwerks gedrückt werden,

    dass die Verbrennung im Strahlungsbrennpunkt der Brennkammer erfolgt und die Flamme deswegen wenig Energie durch Strahlung verliert.
  2. Gasturbinentriebwerk nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zum Erzielen einer mehrstufigen Kompression mehrere, mit Schaufeln besetzte Rotationshohlkörper zwiebelschalenartig ineinandergeschachtelt sind, die sich gegeneinander drehen, und die jeweils eine Verdichterstufe wie auch die zugehörige Turbinenstufe in sich vereinigen.
  3. Gasturbinentriebwerk nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass bei Bedarf die Fliehkraft-Stabilisierung der Flamme abgeschwächt oder aufgehoben wird durch mindestens einen eigenen Schaufelkranz im inneren der Brennkammer, welcher die vorbeiströmenden Gase in Gegenrotation versetzt.
  4. Gasturbinentriebwerk nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Restwärme der Abgase durch einen Wärmetauscher auf die einströmende Frischluft übertragen wird.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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