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Als Turbine arbeitende Wärmekraftmaschine Für Wärmekraftmaschinen,
die im Gegensatz zu Kolbenmotoren als Turbine arbeiten, finden sich verschiedene
Vorschläge. Im einen Fall wird der Brennstoff durch taktweise erfolgende Explosionen
zur Ausnutzung gebracht, im anderen Fall in laufender Verbrennung zur Erzeugung
der erforderlichen Wärme. Dem Treibrad ist ein Verdichter vor= oder nachgeschaltet,
der die zur Verbrennung notwendige Druckluft erzeugt, da einerseits die erzeugte
Wärme möglichst vollkommen ausgenutzt werden soll, andererseits aber die erzeugten
Temperaturen für die zur Verfügung stehenden Werkstoffe zu hoch werden. Da auch
die Kühlung der Maschine auf ein Mindestmaß beschränkt bleiben muß, so haben solche
Maschinen bisher keine praktische Auswirkung finden können, zumal auch der erzielbare
Wirkungsgrad verhältnismäßig klein ist.
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Die Erfindung bezieht sich auf die Umwandlung von Wärmeenergie in
Arbeit und umfaßt ein Arbeitsverfahren und eine Maschine, durch die die Wärmeenergie,
die bei der Verbrennung von Brennstoff erzeugt wird oder die heißen Gasen innewohnt,'
'zu einem höheren Grad als bisher ausgenutztl# wird. Gemäß der Erfindung wird ein
gasförmiges Medium wie Gas oder Luft isothermischer Verdichtung unterworfen und
dann bei konstantem Volumen den heißen Verbrennungsprodukten in solchem Verhältnis
beigemischt, daß alle Wärme dazu benutzt wird,? die Temperatur und den Druck der
verhältnismäßig kühlen Luft oder des Gases bis zu einem vorherbestimmten Maß zu
erhöhen, welch letzteres durch die Bedingungen, d. h. durch das Mischungsverhältnis
und die Druckverhältnisse vor der Mischung bestimmt wird. Der Mischdruck und die
Temperatur der Gasmischung sind dadurch gekennzeichnet, daß i. die Mischtemperatur
bei der nachfolgenden Expansion auf den Außendruck und auf die Außentemperatur sinkt,
2. die Mischtemperatur so niedrig ist, daß die Mischgase als
Treibmittel
in Turbinenschaufeln Verwendung finden können, ohne daß eine Kühlung der Oberflächen,
mit denen die Gase in Berührung kommen, notwendig ist. Bei der Maschine, in der
dieser Arbeitsprozeß verwirklicht wird, sind alle arbeitsübertragenden Teile umlaufend.
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Die isothermische Verdichtung wird durch eine umlaufende Flüssigkeit
(z. B. Öl, Wasser od. dgl. mit hohem Siedepunkt) bewerkstelligt, die in einer Kombination
eines Zentrifugalpumpenrades mit einem Flüssigkeitsturbinenlaufrad ständig umlaufend
bewegt wird. Die Gasmischung wird in Stau- und Mischkammern erzeugt, die durch Turbinenschaufeln,
welche auf dem Umfang eines Turbinenlaufrades gleichmäßig angeordnet sind, gebildet
werden. Die Kammern besitzen an der Eingangsseite einen verhältnismäßig großen Querschnitt,
der sich zu einem düsenförmigen Kanal an der Ausflußseite verengt. Nach der Mischung
und erfolgter Expansion wird die Energie der Mischgase als Strömungsenergie in gleicher
Weise, wie bei Dampfturbinen bekannt, in Arbeit umgewandelt.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt, und
zwar zeigt Fig. z eine Ausführungsform der Maschine zur Durchführung der Erfindung
im Längsschnitt; Fig. 2 ist ein Teillängsschnitt durch das Treibrad in größerem
Maßstab und Fig. 3 ein gleichartiger Querschnitt in tangentialer Richtung, ebenfalls
vergrößert; Fig. 4 zeigt den Arbeitsprozeß in einem Diagramm; Fig. 5 ist ein Längsschnitt
durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Wärmekraftmaschine arbeitet mit einem Verdichter, der in diesem
Fall ähnlich wie bei Kreiselpumpen aus einem Laufrad b auf der Achse a besteht,
das im Gehäuse a' in bekannter Weise von einem Leitapparat c umgeben ist. Die Pumpe
enthält eine Flüssigkeit, wie 01, Wasser od. dgl., von hohem Siedepunkt. Der Leitapparat
c läuft in den Kanälen c' aus, welche die mitgeschleuderte Flüssigkeit durch ein
mit dem Laufrad b verbundenes Flüssigkeitsturbinenrad c" in das Laufrad b zurückleiten,
während die bei b' angesaugte verdichtete Luft in den Kanal d gelangt. Der Verdichter
kann von einer Kühlkammer b" umgeben sein. In dem Kanal d teilt sich der Luftstrom.
Der eine Teilstrom wird unmittelbar durch das Gehäuse h' in Fig. 3 zur Düse
h"
geleitet und in die Kammern i' des Treibrades i gedrückt.
Ein anderer Teilstrom zweigt bei d' ab zu einem Nachverdichter e, der die Luft auf
höheren Druck bringt und sie durch sein Gehäuse e' und die Kammer e" in eine Kammer
f leitet. In dieser ist der Brenner g angeordnet, der über die Zuleitung g' gespeist
wird. Der Brenner g mündet in einer düsenförmigen Kammer k, die z. B. eine Zündkerze
g" enthält. Der Brennstoff wird einmalig gezündet, so daß der Brenner g dauernd
'in Betrieb ist. Er wird mit der überverdichteten Luft aus dem Nachverdichter e
.gespeist. Hinter der Kammer f ist das Treibrad i auf der Welle a
gelagert. Es bildet ein Schaufelrad mit Kammern i', die sich nach dem Auslaß düsenförmig
verengen, wie besonders aus Fig. 2 ersichtlich. Ein Kranz mit Leitschaufeln k führt
die aus den Kammern i' kommenden Abgase zu einem zweiten Schaufelkranz i" des Treibrades
i. An dieses schließt sich ein Turbinensatz mit den -Laufrädern l und den Leitkränzen
m an, um die Energie der Abgase noch weiter möglichst bis auf Atmosphärendruck auszunutzen.
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Im Leitschaufelkranz k ist am Ausgang der Schaufeln i' hinter
der Düse h ein Wandsegment k' eingebaut, durch das die in den Kammern
i' entstehende Mischung der Gase bei unveränderlichem Volumen unterstützt wird.
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Das Arbeitsdiagramm einer solchen Wärmekraftmaschine ist aus Fig.
4 ersichtlich. In dieser stellen dar: Linie z-2 isothermische Verdichtung, Linie
3-4 Überkompression der Verbrennungsluft, Linie 4-5 Verbrennung der Mischung, Linie
5-z adiabatische Expansion.
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Der Verbrennungsdruck pc ist gleich oder etwas größer als der erzeugte
Mischdruck Pm.
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Bei der Mischung bei konstantem Volumen ist die Druckerhöhung unmittelbar
proportional der Erhöhung der absoluten Temperaturen.
also
bei adiabatischer Expansion ist
worin cp = spezifische Wärme bei konstantem Druck, cv = spezifische Wärme
bei konstantem Volumen. Ist Gg das Gewicht der Verbrennungsgase und Gi das Gewicht
des in die Stau- und Mischkammern i' eingeströmten Gasmediums, so ist die Wärme
in den Verbrennungsgasen Qg = Gg # cg # (tg - ta), worin cg = spezifische
Wärme der Verbrennungsgase und tg die Temperatur der Verbrennungsgase.
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Falls die beim Einströmen in die Stau- und Mischkammern i' in Arbeit,
d. h. an die Schaufeln abgegebene Wärmeenergie nicht berücksichtigt wird, beträgt
die an das isothermisch verdichtete Gasmedium abgegebene Wärmemenge Qm =
Gg # cg (tg - tm) ;
da zur Erhöhung der Temperatur des isothermisch
verdichteten Gasmediums bei konstantem Volumen die Wärmemenge Qm = Gi # ei
(im - ta) notwendig ist, ergibt sich das Mischungsverhältnis
ei = spezifische Wärme des isothermisch verdichteten Gasmediums.
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Da die gesamte eingeführte Wärme Qg zur Erhöhung der inneren Energie
des Gasmediums in den
Stau- und Mischkammern i' verwendet wurde,
beträgt der Wirkungsgrad
Qi = Wärmemenge, die bei der isothermischen Verdichtung abgeführt werden muß. Der
Wirkungsgrad entspricht dem des Carnot-Prozesses, aber im Gegensatz zu diesem werden
bei demselben Wärmegefälle nur niedrige Drücke gebraucht, die mit verhältnismäßig
einfachen Triebwerken erzeugt werden können.
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Aus den obenstehenden Gleichungen ist ersichtlich, daß, je höher die
Mischtemperatur ist, um so kleiner das Gewicht des isothermisch zu verdichtenden
Gasmediums zu sein braucht. Da die Stau- und Mischkammern i' nur kurze Zeit mit
Unterbrechungen den Mischtemperaturen ausgesetzt sind und die teilweise expandierten
Mischgase, die die Kammern verlassen, der Druckerniedrigung entsprechend eine niedrige
Temperatur besitzen und der Turbinenraum bzw. weitere Lauf- und Leiträder nur dieser
letzteren Temperatur ausgesetzt sind, können verhältnismäßig hohe Temperaturen verwendet
werden.
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Eine solche Wärmekraftmaschine in Turbinenform könnte z. B. mit Druckbereichen
ähnlich denen einer gebräuchlichen Brennkraftmaschine mit Mischtemperaturen von
etwa im = 45o° C entsprechend einem Mischdruck von pm = 25 kg/qcm und einem isothermischen
Druck pi = io kg/qcm arbeiten.
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Die Temperatur der in den Turbinenraum eintretenden Gase beträgt ungefähr
ago° C.
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Unter isothermischer Verdichtung, adiabatischer Expansion und Mischung
bei konstantem Volumen werden solche Durchgänge verstanden, wie sie so angenähert
wie möglich an den idealen Vorgang praktisch durchführbar sind. Um Wärmeverluste
soweit wie möglich zu verringern, ist das Turbinengehäuse vollständig wärmeisoliert.
Die Maschine wird durch ein an geeigneter Stelle angebrachtes Ventil mittels in
Vorrat gehaltener Druckluft oder Gas angelassen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 ist der Verdichter b beibehalten.
An Stelle der Nachverdichtung wird heißes Abgas aus irgendeiner zur Verfügung stehenden
Quelle bei n' in die Kammer ia geleitet, an die sich etwa eine Düse lt, wie
in Fig. 2 und 3, anschließen kann, aus der das Gas in die Kammern i' des Treibrades
i tritt.
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Ein Nachverdichter könnte bei diesem Ausführungsbeispiel entbehrlich
sein. Die Maschine könnte ebenso mit radialer Zuleitung der Gase und Druckluft von
außen nach innen oder umgekehrt arbeiten.