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Dokumentenidentifikation DE102005056182B4 24.01.2008
Titel Verfahren und Anordnung zum Erzeugen von Energie an einer Antriebswelle (Tornadoturbine)
Anmelder Ramm, Reinald, 14542 Werder, DE
Erfinder Ramm, Reinald, 14542 Werder, DE
Vertreter Kietzmann, M., Dipl.-Ing. Faching. f. Schutzrechtswesen, Pat.-Anw., 10117 Berlin
DE-Anmeldedatum 18.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005056182
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.01.2008
IPC-Hauptklasse F01C 1/44(2006.01)A, F, I, 20051118, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F02C 6/02(2006.01)A, L, I, 20051118, B, H, DE   F01D 5/02(2006.01)A, L, I, 20051118, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Erzeugen von Energie an einer Abtriebswelle mit tornadoähnlich erzeugten Verbrennungsabläufen, insbesondere zur Anwendung als Motor.

[Stand der Technik]

Gasturbinen deren Luftflussverhalten den Wirbelstürmen ähneln, werden auch als Tornadoturbinen bezeichnet (Joseph T. Hamrick, „From Gas Turbines to Tornadoes", mechanical engineering 4/03/03).

Eine aus der WO 97045630 A3 bekannte Tornadoturbine ist für einen rentablen Fahrzeugantrieb (hohes Leistungsgewichtsverhältnis bei geringem Kraftstoffverbrauch) nicht geeignet.

In der WO 9427031 A1 wird eine Pumpe beschrieben, bei der ein rotierendes Schaufelsystem, das sich in einem Raum auf einer drehenden Platte dreht, mechanische Energie erzeugt. Das Schaufelsystem besteht aus einer Mehrzahl sich getrennt drehender Schaufeln, die auf eigenen unterschiedlichen Wellen sich einen kreisförmigen Weg durch ein Gehäuse bahnen und den Raum zwischen einem inneren und einem äußeren Gehäuseteil in Kammern unterteilen, wobei die Winkelgeschwindigkeit der Schaufeln die Hälfte der Winkelgeschwindigkeit der Platte beträgt. Während der Umdrehung der Schaufeln, erhöht sich das Volumen zwischen den Schaufeln, um ein Medium zu fördern und verringert sich anschließend in der nicht fördernden Phase.

Diese Maschine arbeitet ausschließlich als Pumpe. Eine Antriebskraft könnte nur über ein strömendes Medium erzeugt werden. Da das Medium nicht in der Maschine rotiert, kann kein Tornadowirbel erzeugt werden.

Ferner beschreibt die US 3050012 eine Pumpe mit einem feststehenden äußeren und inneren Gehäuseteil und einem Rotor, der sowohl feststehende als auch schwenkbare Blätter besitzt. Das zu pumpende Medium wird durch einen sich stetig verengenden Hohlraum zwischen dem äußeren und inneren Gehäuseteil von einer Einlassöffnung zu einer Auslassöffnung gepresst.

Diese Pumpe erzeugt nur einen sehr niedrigen Saugdruck und kann auch keinen rotierenden Tornadowirbel hervorrufen. Außerdem lässt sie sich nicht als einen leistungsfähigen Motor betreiben.

Auch mit der aus der DE 196 33 278 A1 bekannten Anordnung werden keine hohen Antriebsleistungen erreicht. Es können weder tornadoähnliche Luftströmungen als auch Verdichtungen wie bei einem Verbrennungsmotor erzielt werden.

[Aufgabe der Erfindung]

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zum Erzeugen von Energie aus einer Abtriebswelle mit tornadoähnlich erzeugten Verbrennungsabläufen zu schaffen, bei dem (der) alle Bauteile völlig rund drehen, Luftbewegungen ähnlich einem Tornado erzeugt und die Vorteile eines Verbrennungsmotors mit den Vorteilen einer Turbine genutzt werden. Ferner soll eine solche Maschine einfach im Aufbau und in der Fertigung sein und einen geringen Kraftstoffverbrauch bei einer hohen Leistung gewährleisten.

Die Aufgabe wird in Bezug auf das Verfahren mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs und für die Anordnung mit den Merkmalen des 3. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung stellt eine neue Maschine zur Erzeugung von Energie an einer Abtriebswelle vor, die für die Erzeugung der Energie neben der klassischen Expansion (Ottomotor) die Vorteile einer dichtlaufenden Radialturbine nutzt.

Eine derartige Tornadoturbine besteht aus einem Grundgehäuse auf dem ein Rotationsgehäuse, dem eine Abtriebswelle zugeordnet ist, drehbar angeordnet ist.

Das Rotationsgehäuse ist aus einem, verbunden durch eine Grundplatte inneren und äußeren Rotationsgehäuseteil zusammengesetzt. Die beiden Gehäuseteile sind koaxial zueinander ausgerichtet, wobei sowohl das innere als auch das äußere Rotationsgehäuseteil eine entgegen ihrer Drehrichtung spiralförmige Öffnung besitzt.

Durch diese Anordnung wird zwischen dem inneren und dem äußeren Rotationsgehäuseteil ein Aktionsraum gebildet, in dem eine Vielzahl von Rotationsblättern angeordnet sind, die den Aktionsraum in eine Vielzahl von Arbeitskammern unterteilen, die sich während der Rotation in ihrer Größe verändern.

Die Rotationsblätter sind an Rotationsblattwellen befestigt, die abhängig drehbar im Grundgehäuse befestigt sind.

Sowohl das innere als auch das äußere Rotationsgehäuseteil besitzt zur Seite des Aktionsraumes hin ein Profil, das durch die Drehung der Rotationsblätter derart bestimmt ist, dass die Arbeitskammern bei jeder Stellung der Rotationsblätter ausreichend gegeneinander abgedichtet sind.

Hinter der Stelle der größten Verengung besitzt der Aktionsraum eine in die jeweilige Arbeitskammer gerichtete Einspritzdüse für brennbare Gase.

Die Rotationsblätter drehen sich ortsfest zwischen dem inneren und dem äußeren Rotationsgehäuseteil in einem bestimmten Übersetzungsverhältnis (z. B. 2:1) zum Rotationsgehäuse. Die Drehrichtung ist dabei entgegengesetzt. Dadurch rotieren quasi eine Vielzahl von Arbeitskammern innerhalb des zwischen dem inneren und dem äußeren Rotationsgehäuseteil gebildeten Aktionsraum, wobei durch die Geometrie der Rotationsblätter, dem Profil des inneren und des äußeren Rotationsgehäuseteils zusammen mit der entgegen der Drehrichtung der Rotationsgehäuseteile angeordneten äußeren und inneren spiralförmigen Öffnung Luftwirbel erzeugt werden, die durch Verbrennungsexpansion in den Arbeitskammern eine Drehbewegung erzeugen, die zusätzlich durch Ausnutzung eines Rückstoßes im Bereich der äußeren spiralförmigen Öffnung verstärkt wird.

Der Vorteil der Erfindung liegt auf der Hand. Durch einen absoluten Rundlauf aller Bauteile und einem sauberen Einlauf der Ansaugluft in Form eines Tornados ist es möglich, mit den Drehzahlen dort zu beginnen, wo andere Techniken aufhören. Die Kammern schließen und öffnen sich in tausendstel von Sekunden und die Dichtungen sind dann kein Problem mehr, da sich die Baugruppen nicht berühren, sondern sich nur nähern. Es entsteht kein Abrieb, und eine große Lebensdauer der Maschine ist zu erwarten.

Im Vergleich zum 4 Takt Kolbenmotor, bei dem die Arbeitswelle zwei Umdrehungen bei einem Arbeitstakt macht, macht die Turbine 32 Arbeitstakte (16 im geschlossenen Raum und 16 als Rückstoßenergie). Dabei hat sie nur den halben Kraftstoffverbrauch (durch einmalige Kraftstoffzuführung).

Da die Turbine 10 mal schneller dreht als der Kolbenmotor, hat sie in der gleichen Zeiteinheit eine theoretisch 320 fache Leistung.

Im Vergleich zur Luftstrahlturbine, die über die Hälfte ihrer eigenen Energie für ihre offene Verdichtung verbraucht, verdichtet die Tornadoturbine im geschlossenen Raum und verbraucht (genau wie der 4 Takt Motor) nur einen Bruchteil davon. Die radial laufende Tornadoturbine hat eine direkte Kraftabnahmerichtung ihrer zwei Energiequellen. Eine axial arbeitende Luftstrahlturbine muss ihre nur eine Quelle noch um 90° umlenken. Aufgrund dieser beiden Nachteile ist der Wirkungsgrad einer axialen Turbine wesentlich geringer.

Ihre Anwendung findet die Tornadoturbine als Wellenenergiemotor (genau wie gegenwärtig der 4 Taktmotor). Besonders kommen Anwendungsbereiche in Frage, bei denen ein hohes Leistungsgewichtsverhältnis in Verbindung mit geringem Kraftstoffverbrauch (Kraftstoffgewicht) wichtig ist. Damit werden alte Techniken wieder aktuell (Luftkissenfahrzeuge, senkrecht startende Flugzeuge) und auch neue werden entstehen (Rucksackhubschrauber).

[Beispiele]

An Hand von Zeichnungen werden der Aufbau und die Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

1 eine Ansicht der Tornadoturbine im Querschnitt,

2 die Darstellung der Arbeitsweise der Tornadoturbine bei Verdichtung,

3 die Darstellung der Arbeitsweise der Tornadoturbine bei Expansion,

4 die Darstellung der Arbeitsweise der Tornadoturbine beim Auslassrückstoß,

5 ein Grundgehäuse mit den Wellen für das Rotationsgehäuse und den Rotorblättern,

6 das Grundgehäuse nach 5 mit aufgesetzten Rotationsblättern,

7 ein Rotationsgehäuse mit innerem und äußerem Rotationsgehäuse teil und

8 eine Grundplatte zur Verbindung des inneren und äußeren Rotationsgehäuseteils.

Die Tornadoturbine besteht aus zwei Gehäusen, einem feststehenden Grundgehäuse 1 (5) und einem Rotationsgehäuse 3, das aus einem inneren Rotationsgehäuseteil 5 und einem äußeren Rotationsgehäuseteil 6 besteht und auf einer Hohlzentralwelle, die die Abtriebswelle 2 ist, gelagert ist.

Zwischen dem inneren 5 und dem äußeren Rotationsgehäuseteil 6 ist so ein Aktionsraum 8 gebildet. In dem Aktionsraum 8 des Rotationsgehäuses 3 befinden sich, kreisförmig angeordnet, vorzugsweise acht gebogene Rotationsblätter 9, die auf Rotationsblattwellen 10 gelagert sind.

Während sich das Rotationsgehäuse 3 dreht, drehen sich die Rotationsblätter 9 ortsfest und entgegengesetzt mit doppelter Geschwindigkeit gegenüber dem Rotationsgehäuse 3. Dabei teilen die Rotationsblätter 9 (während der Drehung des Rotationsgehäuses 3) den Aktionszeitraum 8 in sich in ihrer Größe verändernde Arbeitskammern.

Am Ende der Abtriebswelle 2 des Rotationsgehäuses 3 steht vorzugsweise ein Zentralzahnrad im Verhältnis 2:1 (Drehrichtungsumkehr) mit Zahnrädern der Rotationsblätter 9 im Eingriff. Diese sind am Ende der Rotationsblattwellen 10angebracht. Alle Wellen 2, 10 sind an einem Ende in einer Basisscheibe 16 des feststehenden Grundgehäuses 1 (5) gelagert und an ihrem anderen Ende sind die Rotationsblattwellen 10 in der Grundplatte 4 des Rotationsgehäuses 3 gelagert und die Abtriebswelle 2 ist mit der Grundplatte 4 (8) fest verbunden.

Am Ende der Abtriebswelle 2 ist eine Deckelplatte als Grundplatte 4 (7) zur festen Verbindung des inneren 5 mit dem äußeren Rotationsgehäuseteils 6 zur Bildung des Rotationsgehäuses 3 angebracht. Am Ende des Hohlraumes des Rotationsgehäuses 3 wird vorzugsweise eine Kraftstoffvernebelungsdruckdüse (nicht dargestellt) eingeschraubt. Die Grundplatte 4 besitzt Bohrungen, über die der Treibstoff mittels einer Einspritzdüse 13 in eine der Arbeitskammern, die die Brennkammer ist, zugeführt wird.

Wenn das Rotationsgehäuse 3 in Bewegung gesetzt wird, drehen sich die Rotationsblätter 9 doppelt so schnell rückwärts. Die Luft wird durch eine spiralförmige Öffnung 7 (Tornadogang) aus dem inneren Rotationsgehäuseteil 5 in eine sich schließende Arbeitskammer des Aktionsraumes 8 gefördert. Dann wird sie in dichten folgenden Kammern (2) verdichtet. Von dort aus strömt sie in die Brennkammer (3). Dort wird sie mit Kraftstoffnebel aus der Einspritzdüse 13 vermischt. Die Zündung erfolgt nur einmal mit einem Feuerstoß in die Brennkammer. Ist der Kraftstoffnebel in der Brennkammer gezündet, brennt er kontinuierlich weiter. Das ist die erste Energiequelle im geschlossenem Aktionsraum 8 der Tornadoturbine.

Der Restexpansionsdruck wird beim Öffnen der Arbeitskammern (4) axial zur Abtriebswelle 2, an dem Gehäuseprofil 11 des äußeren Rotationsgehäuseteils 6, aus dem Rotationsgehäuse 3 tangential mit hoher Geschwindigkeit aus einer äußeren spiralförmigen Öffnung 7 entlassen. Der dabei entstehende Rückstoß ist die zweite Energiequelle der Tornadoturbine.

Wird ein Teil der extrem schnellen Gase wieder in den Verdichtungsgang (2) geleitet, entsteht ein extremer Vordruck.

1
Grundgehäuse
2
Abtriebswelle
3
Rotationsgehäuse
4
Grundplatte
5
inneres Rotationsgehäuseteil
6
äußeres Rotationsgehäuseteil
7
spiralförmige Öffnung
8
Aktionsraum
9
Rotationsblätter
10
Rotationsblattwellen
11
Gehäuseprofil
12
Verengung
13
Einspritzdüse
16
Basisscheibe


Anspruch[de]
Verfahren zum Erzeugen von Energie an einer Abtriebswelle durch tornadoähnlich erzeugte Verbrennungsabläufe, bei der eine Vielzahl von Rotationsblättern (9), die sich zwischen einem miteinander gekoppelten inneren Rotationsgehäuseteil (5) und einem äußeren Rotationsgehäuseteil (6) ortsfest in einem bestimmten Übersetzungsverhältnis zu einem Rotationsgehäuse (3) entgegengesetzt drehen und so in einem zwischen dem inneren (5) und dem äußeren Rotationsgehäuseteil (6) gebildeten Aktionsraum (8) eine Vielzahl von Arbeitskammern rotieren, die sich in ihrer Größe verändern, so dass während der Rotation ein Verdichten, Zünden und Expandieren mit Brennstoff angereicherter Verbrennungsluft erfolgt, wobei durch die Geometrie der Rotationsblätter (9), durch ein Gehäuseprofil (11) des inneren (5) und des äußeren Rotationsgehäuseteils (6) sowie durch äußere und innere spiralförmig entgegen der Drehrichtung des Rotationsgehäuses (5, 6) gerichtete Öffnungen (7) Luftwirbel erzeugt werden, die durch die Verbrennungsexpansion in den Arbeitskammern eine Drehbewegung erzeugen, wobei diese zusätzlich durch Ausnutzung eines Rückstoßes im Bereich der äußeren spiralförmigen Öffnung (7) verstärkt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der extrem schnellen Auslassgase aus der äußeren spiralförmigen Öffnung (7) wieder in den Aktionsraum (8) eintritt und so ein Vordruck zusätzlich zu der tornadoverwirbelten Ansaugluft erzeugt wird. Anordnung zum Erzeugen von Energie an einer Abtriebswelle durch tornadoähnlich erzeugte Verbrennungsabläufe, bestehend aus

– einem feststehenden Grundgehäuse (1),

– einem auf einer Abtriebswelle (2) angeordneten Rotationsgehäuse (3), das aus einem, durch eine Grundplatte (4) verbundenen und zueinander koaxial angeordneten inneren (5) und äußeren Rotationsgehäuseteil (6) zusammengesetzt ist, und auf einer Basisscheibe (16) des Grundgehäuses (1) drehbar gelagert ist,

– wobei sowohl das innere (5) als auch das äußere Rotationsgehäuseteil (6) eine entgegen ihrer Drehrichtung spiralförmige Öffnung (7) besitzt,

– einem zwischen dem inneren Rotationsgehäuseteil (5), dem äußeren Rotationsgehäuseteil (6), der Basisscheibe (16) und der Grundplatte (4) gebildeten Aktionsraum (8),

– einer Vielzahl von Rotationsblättern (9), die zwischen dem inneren (5) und dem äußeren (6) Rotationsgehäuseteil angeordnet sind und den Aktionsraum (8) in eine Vielzahl von Arbeitskammern unterteilen, wobei

– die Rotationsblätter (9) an Rotationsblattwellen (10) befestigt sind, die abhängig drehbar im Grundgehäuse (1) gelagert sind,

– das innere (5) und das äußere Rotationsgehäuseteil (6) ein Gehäuseprofil (11) besitzt, das durch die Drehung der Rotationsblätter (9) derart bestimmt ist, dass die Arbeitskammern im Aktionsraum (8) ausreichend gegeneinander abgegrenzt sind und

– der Aktionsraum (8) hinter der Stelle der größten Verengung (12) eine in eine Arbeitskammer des Aktionsraumes (8) gerichtete Einspritzdüse (13) für brennbare Gase besitzt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsblattwellen (9) in axialer Richtung in Form von Zylindermantelabschnitten gewölbt sind. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (2) eine Hohlwelle ist.






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