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Dampf- oder Brennkraftturbine Bei .den meisten Versuchen, den Verbrennungsvorgang
:in einer umlaufenden Maschine auszunutzen, hat man sich allzu eng an den Dampfturbinenbau
angelehnt. Beim Betrachten des Weges, den z. B. gespannter Dampf beim Durchlaufen
einer Kolbenmaschine oder einer Turbine zurücklegt, fällt der große LTnterschie-d
1n der Strömungsrichtung auf. In der Kolbenmaschine ändert entsprechend der Kolbenbewegung
der arbeitende Dampf vom Einströmen bis zum Auspuff, nachdem er die Geschwindigkeit
o erreicht hat, seine Richtung vollständig um r8o° um; bei der Turbine wird der
Dampfstrahl nur abgelenkt, im allgemeinen nicht über 9o°. Dementsprechend: erreichen
die Geschwindigkeiten der Turbine auch ein Vielfaches der Kolbenmaschinengeschwindigkeit.
Ein weiterer Unterschied besteht bei Brennkraftturbinen darin, daß in der Turbine
das arbeitende Gas in eine große Zahl von Gasströmen unterteilt wird, also eine
große Oberfläche erhält, wodurch ein fast plötzlicher Temperaturausgleich mit den
Turbinenschaufeln entsteht, während bei der Kolbenmaschine das Gas bei möglichst
kleiner Oberfläche zusammengehalten wird, wodurch wenigstens teilweise ein adiabatischer
`Wärmeumsatz möglich ist.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, die Gasbewegung von Kolbenmaschinen
auch auf umlaufende Maschinen zu übertragen. Es wird dabei eine Turbine mit einseitig
offenen, am Umfang der Laufräder angeordneten Kammern benutzt, und die Erfindung
besteht darin, daß je zwei Laufräder paarweise so einander zugeordnet sind, daß
der Dampf oder die heißen Verbrennungsgase unmittelbar oder durch Verbindungskanäle
wechselseitig zwischen den Kammern zweier Laufräder unter Auffrischung des Arbeitsmittels
durch Druck-und Wärmeübertragung hin und her strömen. Turbinenräder; die mit geschlossenen
Hohlräumen ausgestattet sind, sind schon beschrieben;-.ihre Anordnung ist aber wesentlich
anders.
Auch verwendet man gegenläufige Laufräder schon in Dampfturbinen,
welche aber mit Schaufeln besetzt und anders angeordnet sind.
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Wird einem Laufrad nach vorliegender Erfindung durch das Zuleitungsrohr
z. B. gespannter Dampf zugeführt, so beginnt dasselbe sich zu drehen; die einzelnen
Kammern füllen sich mit gespanntem Dampf und geben denselben unter Entspannung durch
die im Leitwerk liegenden Verbindungskanäle an die Kammern des zweiten Laufrades
ab, bis kein Überdruck mehr vorhanden ist; der Rest entweicht durch den Auspuff.
Während die Kammern des ersten Laufrades ihren Überdruck auf dem Wege von der Frischdampfdüse
zuin Auspuff stetig abgeben, «erden die Kammern (!-,es zweiten Laufrades mit diesem
abgegebenen Dampf zwischen Auspuff und Frischdampfdüse immer mehr vorgefüllt, bis
vor der Frischdampfdüse der 1=Iöclistdrucli erreicht wird; von jetzt ab geben die
Kammern ihren Überdruck wieder an die Kammern des ersten Rades ab. Bei jedem Zu-
und Abströmen von Dampf wird Kraft auf die Kammerböden und dairiit auf das Laufrad
übertragen-, der Dampf verliert dabei seine Geschwindigkeit und strömt nach
rückwärts wieder aus, sobald durch das zugehörige Verbindungsrohr ein Durchgang
zu den entsprechenden Kammern des zweiten Rades hergestellt ist. Der Dampfweg ist
also demjenigen einer Kolbenmaschine mit mehrfacher Entspannung ähnlich- Die Drehzahlen
einer solchen Maschine sind niedriger als diej enigen von Turbinen, da hohe Dampfgeschwindi-keiten
nicht auftreten können. Der Dampf wird im Gegensatz zu den Turbinen von einer kleinen
Zahl von Kammern aufgenommen; die Verluste durch Wärmeleitung; können also klein
gehalten werden, um so mehr, als die llöglichlceit einer Isolation gegeben ist.
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Bei der hin und her gehenden Bewegung des Dampfes findet nicht nur
ein Druckausgleich statt, sondern es wird gleichzeitig auch Wärme übertragen. Bei
den Turbinen findet zwar von der Zuleitung bis zum Auspuff ein "Temperaturabfall
statt, in den einzelnen Laufrädern aber bleibt die Temperatur annähernd gleich,
während bei vorstehender Maschine die Temperatur ebenso wie der Druck jedes Laufrades
von der Zuleitung zum Auspuff abfällt und von da bis zur Zuleitung wieder ansteigt,
d. h. das hin und her gehende Antriebsmittel entzieht den Kammern während des Druckabfalles
auf dem @'@%ege von Düse zum Auspuff Wärme, während bei der Vorfüllung auf dem Wege
von Auspuff zur Düse die Kammern vorgewärmt werden wie bei den bekannten Wärmeaastauscliern.
Dieser Wärmeaustausch verhindert, daß hohe Temperaturen auftreten können, was besonders.
für die Verbrennungsturbine von Wichtigkeit ist. Die Kammern im Laufrad stellen
Röhren dar, die-so gebogen sind, daß sie sich dein j Radumfang anpassen. Die hammerbö#len
köniit-n etwas aufgewaitet sein und auf einem grbl3; ren Radius als die Kammerausmündungen
liegen; dadurch wird verhindert, daß durch die Fliehkraft Dampf unter Arbeitsverlust
aus den Kammern ausgeschleudert werden kann. Die Kammeröffnungen können zu einem
Viereck umgestaltet sein, so daß die Ausrnü ndungen der Umleitungsrohre, die ebenfalls
viereckige Gestalt besitzen, dazu genau passen. Letztere haben verschiedene Grölen,
dein veränderten Entspannungsgrad entsprechend, so daß ein Teil der Umleitungsrohre
über mehrere Kammerausmündungen hinweg greift. Um Druckverluste durch den Spalt
möglichst zu vermeiden, werden die Kammerausinündungen in Vertiefungen des Laufrades
gelegt, in das auch die Ausmündungen der Verbindungsrohre eingreifen. Diese können
als einfache Druckrohre ausgebildet sein; sie können aber auch in der Laufrichtung
die Form von Entspannungsdüsen besitzen, wodurch die Ge-
schwindigkeit beeinflußt
wird. Die Herstellung von Kammer und Verbindungskanälen kann so geschehen, .daß
dieselben vorher aus Röhren oder Blechen hergestellt und zu einem Gestell verschweißt
werden, das dann in eine Gußform eingebettet, völlig umgossen wird, so daß die bestehenden
Hohlräume mit dem Guß ein Ganzes bilden und dann entsprechend bearbeitet werden.
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Die einfachste Turbine wird durch zwei im Gegensinn sich drehende
Laufräder erhalten. deren Kammeröffnungen unter einem bestimmten Winkel zueinander
liegen und sich überdecken, so daß das Arbeitsmittel unmittelbar ohne Zuhilfenahme
von Verbindungskanälen überströmen kann; Zu- und Ableitung des Arbeitsmittels müssen
dann aber auf die an;lere Seite der Laufräder verlegt «-erden, wobei die Kammerböden
offen bleiben müssen. Werden geschlossene Kammern benutzt, so erzielt man 1 ebenfalls
durch zwei sich im Gegensinn drehende Laufräder besonders kurze Verbindungskanäle,
was sich auf den Wirkungsgrad günstig auswirkt. Die Laufräder können dabei auch
mit mehreren Kammerreihen besetzt sein, oder es können auf jeder Welle zwei oder
mehrere Laufräder befestigt sein. Verwendet :nan diese Art Turbinen zur Elektrizitätserzeugung,
so können die beiden Wellen in bekannter Weise elektrisch miteinander gekuppelt
werden; für maschinellen Antrieb müssen besondere Getriebe vorgesehen werden, welche
den entgegengesetzten Drehsinn ausgleichen. Wenn es weniger auf den Wirkungsgrad
ankommt, kann man auch die ganze Kraft auf einer Welle abnehmen, indem zwei oder
mehrere Laufräder auf einer Welle befestigt
werden, wobei das Arbeitsmittel
durch besonders gekrümmte Verbindungskanäle in seiner Richtung umgelenkt wird; die
Verbindungskanäle bekommen hierbei größere Längen und stärkere Krümmungen, was mit
entsprechenden Verlusten verbunden ist.
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Gegenüber den üblichen aus Schaufelrädern und Leitwerk aufgebauten
Turbinen hat die Erfindung folgende Vortenle: Durch die Wärmeübertragung mit Auffrischungdes
Arbeitsmittels werden die Kammern bei jeder Umdrehung ohne Verwendung eines Energie
vernichtenden Kühlmittels abgekühlt, d.h. es kann ein höheres Wärmegefälle ausgenutzt
werden als bei Schaufelradturbiinen.
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Die Druckübertragung mit Auffrischung des Arheits:inittels in Verbindung
mit der geschlossenen Kammerbauart gestattet die Anivendung höherer Verbrennungsdrücke.
Beide Umstände zusammen .geben eine bessere Brennstoffausnutzung.
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Die höheren Betriebsdrücke und Temperaturen ermöglichen eine höhere
Luftvorwärmung, so daß die Verbrennung unter Selbstzündung eingeleitet werden kann.
Dies hedeutet nicht nur Wegfall. der elektrischen Zündeinrichtung, sondern auch
die Verwendung eines höher siedenden, handhabungssicheren und billigeren Betriebsstoffes.
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Durch die gegenläufige Drehung der Läuferpaare werden die Leitkanäle
besonders kurz, die Spaltverluste also kleiner; die Drehzahl ist geringer als bei
reinen Schaufelradturbinen, die Bauart wird gedrungen, die Turbine ist ,also ,auch
bei beschränkten Platzverhältnissen, z. B. in Fahrzeugen, anfendb,ar.
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Die Weiterbildung des Verbrennungsraumes oder der ersten Turbinenstufe
als Gaserzeuger ermöglicht eine weitere Verbesserung -der Brennstoffausnutzung und
die Verwendung hochsiedender oder fester Brennstoffe.
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Die Erfindung eignet sich zur Krafterzeugung aus Dampf; sie bietet
den Vorteil der niedrigen Drehzahl, die etwa zwischen Kolbentnaschine und Dampfturbine
liegt und durch Veränderung der- Entspannungsstufen verhältnismäßig leicht den verschiedenen
Zwecken angepaßt werden kann. Durch die gedrungene Bauart und die weitgehende Entlastung
der Stopfbüchsen ;ist die Maschine besonders für Hochdruckdampf brauchbar und kann
auch für Zwischendampfentnahme eingerichtet werden.
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Eine weitere Verwendung findet die Maschine als Abgasturbine; bei
Einzylindermotoren wird zu diesem Zweck der Auspuff halbiert und die beiden Hälften
je einem Laufrad zugeführt; bei Mehrzylindermotoren ist die Teilung in zwei Hälften
von selbst gegeben. Bei größeren Maschinen können jedem Laufrad auch zwei oder drei
Zuleitungsröhren angeordnet werden. Der Vorteil der Maschine liegt vor allem in
dem thermischen Ausgleich und in der geringen Drehzahl, wodurch gegebenenfalls ein
unmittelbares Kuppeln mit der Kurbelwelle des Motors möglich wird. Selbstverständlich
kann auch eine solche Maschine zur Erzeugung von Preßluft zum Spülen und zur Leistungserhöhung
von Vergaser- und Dieselmotoren Verwendung finden.
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Es erweist sich als besonderer Vorteil, daß bei der neuen Maschine
nur der äußere Umfang der Laufräder der Krafterzeugung dienen, so :daß das Innere
der Maschine als Brennkraftturbine zur Verdichtung der Verbrennungsluft ausgenutzt
werden kann, ohne daß ein besonderer Raum dafür nötig wird; es kann sogar ein Teil
der Turbine im Ver-' dichterteil mitverwendet werden. Besonders aussichtsreich ist
hierbei die Maschine mit zwei gegenläufigen Rädern, da die Preßluft dann durch im
Gegensinn zueinander laufender Turbinenschaufeln, die unmittelbar auf den beiden
Laufrädern befestigt sind; erzeugt werden kann.
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Für die Durchführung des Verbrennungsvorganges wird die Preßluft einem
temperaturbeständigen Explosions- oder Verbrennungsraum zugeführt, der über das
Leitwerk zu den Laufrädern unter einem bestimmten Windel ausmündet; jedes Laufrad
erhält mindestens einen Verbrennungsraum. Daß ein solcher Raum überhaupt unter Druck
gehalten werden kann, liegt in der besonderen Eigenart der Maschine, da das Verbrennungsgas
nur gegen den Druck der vorverdichteten Kammerfüllung ausströmen kann; der Druck
im Verbrennungsraum bleibt also so lange bestehen, als Preßluft nachgeliefert wird.
Der Explosionsraum kann mit Zündkerze ausgerüstet werden, wenn der Brennstoff mittels
Vergaser der vorverdichteten Luft zugeführt wird, aber auch .mit Einspritzpumpe
und Zerstä:ubungsdüse für eine Verbrennung nach Art der Dieselmotore; arbeitet man
mit Mitteldruck, so kann der Explosionsraum auch durch Glühzündung oder entsprechende
Isolation stets knapp oberhalb der Entzündungstemperatur des verwendeten Kraftstoffes
gehalten werden.
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Gegenüber den normalen Schaufelradturbänen hat die neue Verbrennungsturbine
den Vorteil der höherenTemperaturbelastung, d.h. durch Ausnutzung eines höheren
Wärmegefälles wird ein höherer Wirkungsgrad erzielt. Das heiße Verbrennungsgas trifft
ja nicht unmittelbar auf die Kammerwände auf, ,sondern i zum größten .Teil auf die
in den einzelnen Kammern vorverdichteten Gaspolster, dieselben
zunächst
aufheizend und weiterverdichtend. Infolge der relativ geringen Gasgeschwindigkeit
in den Kammern bleibt auch die Wärmeübertragung klein, außerdem -%verden die Kammerwände
bei einem Umlauf durch das Verbrennungsgas, das seine kinetische Energie abgegeben
hat, jedesmal wieder abgekühlt, so daß unzulässig hohe Temperaturen nicht auftreten
können. Durch das Einbutten der Kammern, die aus hochwärmefestem Blech hergestellt
werden, in Gußmetall ist eine weitere Sicherheit und höhere Wärmebelastung gegeben.
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Infolge der V orfüllung der einzelnen Kammern mit energieärmerem Verbrennungsgas
herrscht vor dem Verbrennungsraum stets ein entsprechender überdruck; deshalb kann
der eigentliche Verbrennungsraum auch mit Preßluft so hoher Spannung gefüllt werden,
daß eine leichte Zündung des eingeführten Treibmittels, (51 aller Art oder Kohlenstaub,
eintritt. Eine mit so hohem Druck arbeitende Turbine bringt Sonderbelastungen des
Baustoffes mit sich, denen Schaufelradturbinen niemals gewachsen wären. Man kann
die Temperaturspitzen in bekannter NVeise dadurch umgehen, daß man ein Kühlmittel,
z. B. Wasser, oder Wasserdampf miteinführt oder den Brennstoff in kleinen Mengen
an mehreren Stellen des Laufrades zuführt, so daß nur geringe Temperatursprünge
jedesmal ausgenutzt werden. Eine bessere Wärmeumwandlung wird dadurch erreicht,
daß man die Verbrennung durch Zuführung .der Luft in Stufen durchführt, indem in
der ersten Stufe der Brennstoff zunächst mit Luftunterschuß nur teilweise verbrannt
wird, so daß sich also eine Art Kraftgas oder Wassergas bildet, das dann in einer
zweiten Stufe zusammen mit der restlichen Luft vollständig verbrannt wird und dann
.den Rest der Energie liefert. Ein solcher gestufter Verbrennungsvorgang vermeidet
das Auftreten von Temperaturspitzen und gibt dennoch eine gute Wärmeausnutzung,
da in der ersten Stufe die Bildung von Kohlenoxyd und Wasserstoff zwar eine geringere
Wärmemenge liefert, wofür aber der Verbrennungsvorgang mit einer Volumenzunahme
verknüpft ist. Die Verbrennung des gebildeten Gases in der zweiten Stufe ergibt
die restliche Energie ebenfalls ohne hohe Temperaturspitzen.
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Zur. Durchführung eines solcherart gestuften Verbrennungsvorganges
wird die nötige Preßluft mindestens in zwei Teilströme unterteilt oder von zwei
verschiedenen Preßlufterzeugern hergestellt und dann den beiden Verbrennungsräumen
-zugeführt, wobei der letzte in einen der später liegenden Verbindungskanäle ausmündet,
wo sich die Verbrennungsluft mit den unverbrannten Gasen gut mischen und so restlos
verbrennen kann: der zweite Verbrennungsvorgang kann auch bei größeren Maschinen
in einem Übergangsrohr zu einem zweiten Umlaufrad unter anderen Drücken durchgeführt
werden.
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Während beiden seitherigen Verbrennungsturbinen der Zusatz von Wasser
in irgendeiner Form zu dem mit Luftüberschuß durchgefiihrten Verbrennungsvorgang
starke Zerstörungen an dem Turbinenbaustoff auslöste, hat der Wasserzusatz bei der
Verbrennung tnitLuftunterschuß entsprechendvorliegender Erfindung diese schädliche
Wirkung nicht, da er gebraucht wird zur Wassergaserzeugung. An sich wäre ein Wasserzusatz
zu Kühlungszwecken überhaupt nicht nötig, da Temperaturspitzen sowieso fehlen; es
hat sich aber als vorteilhaft erwiesen, bei der Verbrennung mit Luftunterschuß Wasser
zuzusetzen, weil dadurch der Vergasungsvorgang gefördert wird und eine Rußbildung
unterdrückt wird. Außerdem bringt der Wasserzusatz durch die Wassergasbildung, besonders
beim Arbeiten mit Kohlenstaub, eine weitere Volumenvermehrung zustande unter Bildung
von Kohlenoxyd und Wasserstoff, das in der nachfolgenden Verbrennungsstufe leichter
verbrennt als etwa unverbrannte Kohlenstaubreste, die sich schädlich auch auf den
Turbinenbaustoff in mechanischer Hinsicht auswirken können. Durch diese stufenweise
Verbrennung hat man also nicht nur die Temperaturführung besser in der Hand, sondern
man erzielt auch eine höhere Wärmeausnutzung und hat gleichzeitig die Möglichkeit,
die Wärmeenergie des Vergasungsvorganges, die heute bei den mit Frischgaserzeugern
ausgerüsteten Verbrennungsmotoren verlorengeht, auch unmittelbar zur Energiegewinnung
mit heranzuziehen.
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Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.
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Abb. r zeigt beispielsweise aufgeschnitten und abgewickelt zwei im
Gegensinn sich drehende Laufräder I und II rii:it je drei einseitig geschlossenen
Kammern k und dazwischenliegenden Verbindungskanälen v.
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In Abb. z wird die dazugehörige Gasführung erläutert. Die beiden im
Gegensinn sich drehenden Laufräder sind abgewickelt gedacht und mit je zehn Kammern
besetzt; die Pfeile deuten die Lage der Zu- und Überströmkanäle v an, wobei durch
die Pfeilstärke die Gasspannung, durch die eingezeichneten Kreise die der Entspannung
entsprechenden Durchmesser,der Verbindungskanäle v dargestellt werden sollen.
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Abb. 3 zeigt die Lage der einseitig geschlossenen Kammern k zweier
Gegenlaufräder und die Anordnung der Überströmkanäle v im Schnitt längs der Wellen.
Abb.
q. zeigt einen Schnitt durch eine Verbrennungsturbinenhälfte quer zur Welle. Das
Laufrad I ist mit einseitig geschlossenen Kammern k besetzt, deren Böden
b auf einem größeren Radius liegen als die Ausflußöffnungen o, die an den
Überströmkanälen v sich vorbeidrehen unter Ausgleich der Gasspannung mit Auffrischung
des Arbeitsmittels. Das Laufrad I wird zweimal bei jeder Drehung durch frische Verbrennungsgase
aus den Verbrennungskanälen na beaufschlagt. Im Innern des Laufrades I liegt der
Verdichter r, dessen Gehäuse zum Teil durch Laufrad I gebildet wird.
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Die Auffüllung der Verbrennungskanäle nz mit gespannter Verbrennungsluft
geschieht mittels Verdichter nahezu ununterbrochen. Das Einspritzen des Brennstoffes
und die Zündung wird unmittelbar nach dem Überströmen der Verbrennungsluft in die
Verbrennungskammern vorgenommen; bei gegenläufigen Turbinenrädern liegen die Mündungen
der dazugehörigen Verbrennungskanäle in unmittelbar nebeneinander. Bei gleichsinnig
umlaufenden Rädern werden dieselben entsprechend versetzt. Einspritzbeginn und Zündeinsatz
sind für beide Hälften regelbar; die Einstellung ergibt sich aus der Anzahl der
Kammern und der Drehzahl oder aus der Zeit, die vergeht, bis jeweils die Kammer
mit der höchsten Vorfüllung von der Mündung des zugehörigen Verbrennungskanals angekommen
ist.
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Abb. 5 und 6 zeigen einen Schnitt in verschiedenen Ebenen längs und
quer zur Welle einer Gegenläuferverbrennungsturbine mit eingebauten Luftverdichtern.
Die Laufradkammern k liegen mit ihren links und rechts herausspringenden Böden b
wieder auf einem größeren Radius als die Kammerausmündungen o; dadurch wird eine
labyrinthähnliche Abdichtung der außen herumlaufenden Verbindungskanäle v möglich.
Die Laufräder I und II sind außen mit Gebläseschaufeln la, innen mit Turbinenschaufeln
s besetzt; da,-durch entsteht innen eine Art Gegenläuferverdichter r, dessen Schaufelanordnung
der Schnitt G-H zeigt. Die erzeugte Preßluft wird durch die hohlen Wellen w abgeleitet
und durch je einen Läufer L den Verbrennungsrohren t zugedrückt.