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Verfahren zur Erzeugung von Druckgasen durch Verbrennung in mehreren
voneinander getrennten Brennkammern Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Erzeugung von Druckgas durch Verbrennung in mehreren voneinander getrennten
Brennkammern, wobei ein Teil der Verbrennungsgase zur Abgabe von Arbeit und ein
anderer Teil zur Einführung der Verbrennungsluft und des Brennstoffes in die Brennkammern
dient.
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Die Erfindung besteht darin, daß der aus einer Brennkammer während
der Verbrennung abströmende, zur Arbeitsabgabe dienende Gasstrahl und der die Verbrennungsluft
fördernde Gasstrahl sich gegenseitig aus ihrer Richtung ablenken, und daß sie sich,
ohne sich miteinander zu vermischen, sodann wieder trennen, worauf in veränderter
Strömungsrichtung nur die für die Arbeitsabgabe bestimmten Teilstrahlen nach außen
zwecks Arbeitsleistung abströmen, während die Teilstrahlen, welche die Verbrennungsluft
fördern, in die zu ladende Brennkammer strömen und diese .mit Luft und Brennstoff
ausfüllen.
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Mit diesem Verfahren wird ohne Hilfe von mechanisch bewegten Steuerungsvorrichtungen,
wie Schieber, Ventile usw., ein zur Leistung mechanischer Arbeit dienender Gasstrahl
erzeugt, welcher in Wärmekraftmaschinen irgendwelcher Art, z. B. in Turbinen, Kolbenmaschinen,
Injektoren und Rückdruckantriebsvorrichtungen, -in mechanische Arbeit umgesetzt
werden kann.
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In der beiliegenden Zeichnung sind beispielsweise Ausführungsformen
der Vorrichtung schematisch dargestellt, und es zeigen Fig: i ein Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung mit gerader Kammernanzahl im Axialschnitt, Fig.2 einen Querschnitt
durch eine Vorrichtung mit drei Kammern.
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Die Vorrichtung nach Fig. i besteht aus vier geschlossenen Kammern
ia bis 1d, welche symmetrisch um die Mittelachse herum und parallel zu dieser angeordnet
sind. Die Brennkammern haben am oberen Ende Stutzen 2a und 2- und am unteren Stutzen
3a und 3 Sowohl die oberen als auch die unteren Stutzen münden alle schiefwinklig
in gemeinschaftliche, axial nach unten gerichtete Düsen; die obere ist mit 4 und
die untere mit 5 bezeichnet. Die obere Düse 4 bildet die Strahldüse für einen Injektor
17 und ragt in das trompetenförmige Zentralrohr 7 des Injektors hinein, welcher
zum Ansaugen und Beschleunigen der Frischluft dient. Die Frischluft gelangt durch
die Öffnungen 8 in das trompetenförmige Rohr und strömt als Strahl 6 unter starker
Beschleunigung durch das Injektorrohr nach unten.
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Ebenso wie die oberen Stutzen münden, wie
schon angedeutet,
auch die unteren Stutzen 34 und 3c unter schiefen Winkeln in eine Düse 5, die Hauptdüse
der Vorrichtung, und bilden mit dieser zusammen einen Strahlenlenker 16, welcher
den Strahlen, die ihn durchströmen, eine ganz bestimmte Führung erteilt.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. i ist die Hauptdüse am unteren Ende
im schiefen Winkel abgeschnitten, ähnlich einer Lavaldüse, durch welche der Gasstrahl
austritt und z. B. in die Beschauflung von Turbinenrädern gelangt, um dort Arbeit
zu verrichten.
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist nun folgende: Findet z. B. in
der Kammer ia eine Verbrennung statt, so strömen die hochgespannten Verbrennungsgase
mit großer Geschwindigkeit einerseits durch die gekrümmten Abzugsstutzen ?a, die
Strahldüse 4 und das Injektorrohr 7 nach unten und andererseits durch die Stutzen
3a und die Hauptdüse 5 nach außen. Die Verbrennungsgase, welche aus der Strahldüse
4 austreten, haben große Geschwindigkeit und hohe Temperatur. Im Injektorrohr 7
entsteht zufolge der durch öffnung 8 mitgerissenen Luft ein Mischgasstrom, der reichlich
Frischluft enthält, aber eine Temperatur behält, welche über der Entzündungstemperatur
des verwendeten Brennstoffes liegt. Der durch die Stutzen 3a in der Richtung des
Pfeiles 9 abströmende Gasstrahl erfährt bei dem Zusammentreffen mit dem aus Injektorrohr
7 kommenden Strahl eine Zusammenziehung sowie Ablenkung nach der Hauptdüse 5, etwa
wie es Kurve io andeutet. Wenn nun die Anordnung so getroffen ist, daß z. B. immer
in zwei benachbarten Kammern Verbrennungen stattfinden, dann wird der engste Querschnitt
der Hauptdüse 5 vollkommen durch die aus den Kammern durch die Stutzen 3a abströmenden
Gasstrahlen ausgefüllt, so daß der aus dem Injektorrohr 7 kommende Mischgasstrahl
infolge dieses scharfen Abschlusses nicht auch durch die Hauptdüse abströmen kann,
sondern in der Richtung des Pfeiles i i abgelenkt -wird und durch den Strahllenker
16 in die zu füllende Kammer ic gelangt.
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Die Anordnung kann aber auch so getroffen werden, da.ß immer nur in
einer Kammer eine Verbrennung stattfindet, dann sind die lichten Weiten der Stutzen
3a und 3c ungefähr ebenso groß wie der engste Querschnitt der Hauptdüse 5, so daß
dann durch einen Kammerstrahl allein ein vollkommener Abschluß stattfindet und der
Mischgasstrahl durch diesen ebenfalls in der Richtung des Pfeiles i i abgelenkt
wird.
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Damit im Strahlenlenker die Strahlen keine Wirbel bilden, haben die
Stutzen 3a und 3c zylindrische Form oder sind als ganz schwach konische Düsen ausgebildet,
so daß die Geschwindigkeiten'dieser beiden Strahlen nicht zu stark verschieden sind,
ferner die Oberfläche der Kammerstrahlen möglichst unverletzt bleibt und keine Neigung
zeigt, sich mit dem Mischgasstrahl zu vermengsn.
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Die in die Brennkammer ic gelangenden Mischgase treiben die restlichen
Verbrennungsgase aus dieser Kammer durch die Stutzen 2c nach der Strahldüse 4. Die
Menge der auszustoßenden Verbrennungsgase ist ziemlich klein, da durch das Beharrungsvermögen
der während der Verbrennung rasch austretenden Gase in den eben entleerten Kammern
eher ein Unterdruck entsteht.
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Von ganz besonderer Wichtigkeit ist es nun, daß die Mischgase des
Injektors mit großer Geschwindigkeit in die verhältnismäßig kleinen Kammern geschleudert
werden, diese also rasch füllen und dann plötzlich zum Stillstand gelangen. Da gleichzeitig
eine ebenso plötzliche Richtungsänderung beim Aufprallen auf den -oberen Kammerboden
stattfindet, so ergibt sich während kleiner Zeiträume, ähnlich wie beim hydraulischen
Widder, eine Drucksteigerung, verbunden mit starker Durchwirbelung. Der Injektorstrahl
selbst erhält durch die Verbrennungen ständig heftige Impulse, wodurch die Massenstoßwirkung
durch Resonanzerscheinungen verstärkt wird, und zwar um so mehr, je höher die Zahl
der Impulse gehalten wird. Auf diese Weise ist es möglich, erhebliche Staudrücke
für. kurze Zeitdauer zu erzeugen. Während dieser kurzen Zeitdauer findet die Verbrennung
des eingeblasenen Brennstoffes statt, die somit unter gutem thermischen Wirkungsgrad
erfolgt. Sobald die Verbrennung in Kammer ic mit der daraus entstehenden Drucksteigerung
stattfindet, tritt in den Stutzen 3a und 3c eine Umkehrung der Bewegung ein. In
diesen Stutzen findet entsprechend den Füllungs-und Verbrennungszeiten, somit eine
ständige Umkehrung der Strömungsrichtung statt, während in den Stutzen 2a und 2C
fortwährend dieselbe Strömungsrichtung herrscht.
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Die Vorrichtung kann entweder aus vielen Kammern, z. B. 5, 6, 7 oder
8, bestehen, oder aus wenigen, am besten aus zwei oder dreien. Bei Vorrichtungen
mit vielen Kammern werden die Verbrennungen so eingeleitet, daß diese immer in mindestens
zwei Kammern nacheinander beginnend, stattfinden, wodurch dann in der Hauptdüse
ein ziemlich gleichbleibender Gasstrahl entsteht. Bei Vorrichtungen mit zwei oder
drei Kammern findet immer nur in einer Kammer eine Verbrennung statt. Eine Vorrichtung
mit nur zwei Kammern arbeitet bei hohen Verbrennungszahlen ebenfalls regelmäßig
genug. je nach der mehr oder weniger raschen Aufeinanderfolge der Verbrennungen
ist dann auch der aus der
Hauptdüse abströmende Gasstrahl nahezu
gleichbleibend oder stoßweise. Im letzteren Falle können die einzelnen Intervalle
so groß sein, daß durch das Beharrungsvermögen des Inj ektorstrahles Frischluft
angesaugt wird und zwischen zwei Intervallen ebenfalls durch die Hauptdüse abströmen
kann, so daß die Luft kühlend auf die Beschaufelung des Turbinenrades wirken kann.
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Fig. a veranschaulicht die Ausführungsform einer Vorrichtung mit drei
Kammern im Querschnitt.
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Die Brennstoffzuführung wird in der Weise erreicht, daß durch enge
Röhren, welche die Kammern untereinander und mit einem zentral gelegenen Injektor
verbinden, hochgespannte und erhitzte Verbrennungsgase, welche aus den Kammern,
in welchen Verbrennungen erfolgen, in solche strömen, die gefüllt werden sollen,
flüssiger Brennstoff angesaugt, zerstäubt und verdampft wird und in Dämpfform zur
Mischung mit der hocherhitzten Verbrennungsluft gelangt, wodurch eine plötzlich
einsetzende, explosionsartige Verbrennung erreicht wird. Die Kammern ja bis i d
sind mit den engen Röhren 1 3 a und 13-, die in ihren unteren Teil
münden, in Verbindung. Die Röhren sind, mit dem anderen Ende an den zentralen Injektor
1q angeschlossen, in welchen der Brennstoff durch das Rohr 15 gelangt, das
gewöhnlich noch als die Zufuhr regelnde Einrichtung ausgebaut ist.
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Im Ausführungsbeispiel ist die Wirkungsweise der Brennstoffzuführung
folgende: Findet z. B. in Kammer ja eine Verbrennung statt, dann strömen von dieser
durch Verbindungsröhren 13 a heiße, hochgespannte Verbrennungsgase nach dem
Inj ektor 14, wo der Brennstoff durch das Rohr 15 angesaugt und zerstäubt
wird. Durch die Röhren i3-, in denen der zerstäubte Brennstoff vollständig in Dampfform
übergeht, wird er nach der Kammer je , d. h. der Kammer unter Staudruck, mit großer
Geschwindigkeit als heißer Gasdampfstrom gefördert. Dies wird dadurch erreicht,
daß der Injektor 14 auch als Brennstoffverteiler ausgebildet ist und der Reilienfolge
entsprechend eine Kammer nach der anderen mit Brennstoff versieht. Vermöge der Wirbelung
der über Zündtemperatur erwärmten Mischluft findet in Kammer ic alsbald eine explosionsartige
Verbrennung statt. Auch der Brennstoffdampf kann über seine Entzündungstemperatur
erwärmt sein, was angängig ist, da die beigemischten Verbrennungsgase keinen freien
Sauerstoff enthalten.
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Werden durch diese Zuführung des Brennstoffes in kleinen Zeitabständen
in einer Kammer nach der anderen die Verbrennungen eingeleitet, dann ändert die
Abschlußfläche der ausströmenden Verbrennungsgase bei i o in Fig. i ständig ihre
Lage, so daß in der Reihenfolge immer neue Kammern gefüllt, entzündet und entleert
werden.
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Der Mischungsstrom des Injektors enthält Verbrennungsgase. Solange
die der Frischluft beigemischten Verbrennungsgase das Verhältnis a : 3 nicht überschreiten,
findet keine Störung einer raschen Verbrennung statt, vorausgesetzt, daß keine Schmieröldämpfe
anwesend sind, welche als Schutzkolloide die Verbrennung hindern. Es ist auch bekannt,
daß die Anwesenheit von chemisch unbeteiligten Körpern, wie die Verbrennungsgase
es sind, die Höchstarbeit nahezu nicht beeinflussen, wenn die Verbrennungsgase nicht
im dissoziierten Zustand abströmen, da sich ihre Entropie nicht ändert.
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Versuche haben ferner ergeben, daß ein Strahlgebläse, dessen Mischgasstrom
in kleinen Zeitabständen durch Massenstoß jeweils in Druck umgesetzt wird und bei
dem ein Teil der Wärme des Treibgasstrahles später, z. B. in einem Turbinenrad,
wieder in nutzbare Arbeit umgesetzt werden kann, wie dies im vorliegenden Fall geschieht,
sehr wirtschaftlich arbeitet. Ferner ist zu beachten, daß die Verdichtung im primären
Teil der Vorrichtung stattfindet und somit der Wirkungsgrad des Verdichters nicht
mehr mit dem Wirkungsgrad z. B. eines Curtisrades multipliziert werden muß, was
der Fall wäre, wenn die Frischluft durch einen mit der Turbine gekuppelten Verdichter
verdichtet würde.
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Die sämtlichen Teile der Vorrichtung sind gewöhnlich von einem Mantel
i a umgeben; die entstehenden Hohlräume sind von der Kühlflüssigkeit ausgefüllt.
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Zwecks Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades wird die Innentemperatur
der Wandungen der Brennkammern auf der Entzündungstemperatur des Treibmittels gehalten.
Dadurch wird die durch das Kühlmittel abgeführte Wärmemenge verringert und die Verbrennung
des Treibmittels vollständig, da die Temperatur des brennenden Gemisches selbst
in der Nähe der Wandungen nicht mehr unter der Entzündungstemperatur des Treibmittels
ist.
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Die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades tritt bei mit Erdölen
betriebenen. Vorrichtungen schon bei einer Temperatur der Wandungen von q.8o bis
5oo° C ein, da die Entzündungstemperatur von Erdölen hier schon erreicht ist. Werden
sehr wärmebeständige Baustoffe angewandt, so kann die Temperatur auch über 5oo°
C gehalten werden.
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Dies wird z. B. bei Wasserkühlung dadurch erreicht, daß die Wände
des Verbrennungsraumes außen nicht mehr überall von Wasser umspült werden, sondern
nur noch Teile davon in mehr oder weniger regelmäßiger Verteilung, so daß durch
Verringerung der wärmeabführenden
Oberfläche die Innentemperatur
der Wandungen auf der Höhe von q.5o bis 5oo° C gehalten wird.
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Die höhere Temperatur der Kammerwände kann auch dadurch erreicht werden,
daß das Kühlwasser in bekannter Weise unter entsprechendem Druck auf höherer Temperatur
gehalten wird oder daß mit Dampf gekühlt wird; bei Luftkühlung kann die Kühlrippenoberfläche
entsprechend verringert werden.
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Als Kühlmittel können auch geschmolzene Salze angewandt werden. Besonders
eignen sich Mischungen von Fluoriden, Bisulfaten und Chloriden, da sich ihr Schmelzpunkt
bei etwa 3oo° C befindet und sie bei q.00° C dünnflüssig genug sind, um durch Temperaturunterschiede
in Strömung zu geraten, so daß ein Wärmeausgleich gewährleistet wird, und da sie
sich bis i ooo° C nicht zersetzen und Eisen nicht angreifen.
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Dünnwandige Teile, wie z. B. Düsen, Umlaufschaufeln usw., können ebenfalls
mit den geschmolzenen Salzen in Berührung gebracht werden, um sich auf diese Weise
vor dem Ausglühen oder Schmelzen zu bewaluen.
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Die Strömungsenergie des aus der Hauptdüse abfließenden Treibgasstrahles
wird in Turbinen oder Kolbenmaschinen in mechanische Arbeit umgesetzt, oder aber
sie kann in Rückdruckvörrichtungen unmittelbar in Schub umgesetzt werden, wodurch
Fahrzeuge ohne mechanisch bewegte Teile ihren Antrieb erhalten.
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Es ist selbstverständlich, daß die Vorrichtung auch andere Ausführungsformen,
wie hier beschrieben, haben kann. So wäre es beispielsweise möglich, den Strahllenker
16 allein zu benutzen und die Verbrennungsluft durch einen mechanischen Verdichter
zu verdichten. Auch könnte die Kombination des Strahllenkers und des Frischluftinjektors
beibehalten werden, dessen Ausgangvolumen jedoch z. B. durch ein Kreiselgebläse
vergrößert wird, was für Flugzeuge Anwendung finden könnte. .
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Die Zuführung des Brennstoffes ließe sich auch durch eine Pumpe bewerkstelligen
und dessen Verteilung durch Ventile und Drehschieber.