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Verfahren zur Erzeugung eines zur Leistung mechanischer Arbeit dienenden Gas- strahles und Vorrichtung hiezu.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines zur Leistung mechanischer Arbeit dienenden Gasstrahles, der durch eine Reihenfolge von Verbrennungen in mehreren Verbrennungskammern erzeugt wird. Erfindungsgemäss bewirken die aus den Verbrennungs-
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Gasstrahl von hohem Arbeitsvermögen zu erzeugen, welcher in Wärmekraftmaschinen irgendwelcher Art, z. B. Turbinen, Kolbenmaschinen, Injektoren oder Propulsatoren u. dgl. in mechanische Arbeit
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Die Vorrichtung, im folgenden Verbrennungskammeraggregat genannt, besteht aus einer Mehrzahl von Verbrennungskammern mit Organen zum Ansaugen, Beschleunigen und Füllen der Kammern mit Frischluft, ferner aus einer Zündeinrichtung sowie aus einem Röhren- und Düsensystem zur Erzeugung und Ableitung des Treibgasstrahles.
In der Zeichnung sind beispielsweise Ausführungsformen des Verbrennungsaggregates schematisch
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welche symmetrisch um die Mittelachse herum und parallel zu dieser angeordnet sind. Die Verbrennungskammern haben am oberen Ende Stutzen 2a und 2c und am unteren Stutzen 3a und 3c. 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.
Analog den oberen Stutzen münden, wie schon angedeutet, auch die unteren Stutzen 3a und 3c
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einen Strahllenker 16, welcher den Strab12n, die ihn durchströmen, eine ganz bestimmte Führung erteilt.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. l ist die Hauptdüse am unteren Ende im schiefen Winkel abgeschnitten, ähnlich einer Lavaldüse, durch welche der Gasstrahl austritt und z. B. in die Beschaufelung von Turbinenrädern gelangt, um dort Arbeit zu verrichten. Die Arbeitsweise des Verbrennungsaggregates
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Verbrennungsgase mit grosser Geschwindigkeit einerseits durch den gekrümmten Abzugsstutzen 2a, die Strahldüse 4 und das Injektorrohr 7 nach unten und anderseits durch den Stutzen 3a und die Hauptdüse 5 nach aussen.
Die Verbrennungsgase, welche aus der Strahldüse 4 austreten, haben grosse Geschwindigkeit
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strömende Gasstrahl erfährt bei der Einmündung des Injektorstrables eine Kontraktion sowie Ablenkung nach der Hauptdüse 5, etwa wie es Kurve 10 andeutet. : Wenn nhl1 die Anordnung so getroffen ist, dass z.
B. immer zwei benachbarte Kammern unter Explosion stehen, d"l111 wird der engste Querschnitt der Hauptdüse 5 vollkommen durch die aus den Kammern durch die Stutzen. 3 abströmenden Gasstrahlen ausgefüllt, so dass der aus dem Injektorrohr 7 kommende Mischgafstrvhl durch diesm scharfen Abschluss
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Die Anordnung kann aber auch so getroffen werden, dass immer nur eine Kammer unter Explosion steht ; dann sind die lichten Weiten der Stutzen und 3e ungefähr gleich 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 11 abgelenkt wird.
Damit im Strahllenker die Strahlen keine Wirbel bilden, haben die Stutzen 3a und 3e 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 kompakt bleibt und keine Neigung zeigt, sich mit dem Misehgasstrahl zu'vermengen.
Die in die Verbrennungskammer 1e gelangenden Mischgase treiben die restlichen Verbrennunggase aus dieser Kammer durch die Stutzen 2e ebenfalls nach der Strahldüse 4. Die Quantität der aus- zustosssnden Verbrennungsgase ist ziemlich klein, da durch das Beharrungsvermögen der während der Explosion rasch austretenden Gase in den eben entleerten Kammern eher ein Unterdruck resultiert.
Von ganz besonderer Wichtigkeit ist es nun, dass die Mischgase des Injektors mit grosser Gesehwindigkeit 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 dem oberen Kammerboden stattfindet, so ergibt sich während kleinen Zeiträumen, ähnlich wie beim hydraulischen Widder, eine ganz bedeutende Drucksteigerung, verbunden mit starker Durchwirbelung. Dar Injektorstrahl selbst erhält durch die Esplosionen ständig heftige Impulse unter Resonanzerscheinungen, wodurch die Massenstosswirkung verstärkt wird, u. zw. 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 le mit der daraus resultierenden Drucksteigerung stattfindet, tritt in den Stutzen 3a und 3c eine Umkehrung der Bewegung ein. In diesen Stutzen findet, entsprechend den Füllungs-und Verbrennungsperioden. somit eine ständige Umkehrung der Strömungsriehtung statt, während in den Stutzen 2a und 2e fortwährend dieselbe Strömungsriehtung herrscht.
Das Verbrennungsaggregat kann entweder aus vielen Kammern, z. B. aus fünf, sechs, sieben oder
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werden die Verbrennungen so eingeleitet, dass diese immer in mindestens zwei Kammern in verschiedenen Stadien stattfinden, wodurch dann in der Hauptdüse ein ziemlich konstanter Gasstrahl entsteht. Beim zwei-oder dreikammerigen Aggregat ist immer nur eine Kammer im Verbrennungszustand. Ein zweikammeriges Aggregat arbeitet bei hohen Explosionszahlen ebenfalls regelmässig genug. Je nach der
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zwei Intervallen ebenfalls durch die Hauptdüse abströmen kann, welche kühlend auf die Beschauflung des Turbinenrades wirkt.
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Querschnitt.
Die Brennstoffzuführung wird in der Weise erreicht, dass durch ein enges Röhrensystem, welches die Kammern untereinander und mit einem zentral gelegenen Injektor verbindet, hochgespannte
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strömen, flüssiger Brennstoff angesaugt, zerstäubt und verdampft wird und in Dampfform zur Mischung mit der hocherhitzte Verbrennungsluft gelangt, wodurch eine plötzlich einsetzende, explosionsartige Verbrennung erreicht wird.
Die Kammern la-lu sind mit den engen Röhren 13a und 13e, die in ihren untern Teil münden, in Verbindung. Die Röhren sind mit dem andern Ende an den zentralen Injektor 14 angeschlossen, in welchen der Brennstoff durch das Rohr 15 gelangt, das gewöhnlich noch als die Zufuhr regelndes Olgan ausgebaut ist.
Im Ausführungsbeispiel ist die Wirkungsweise folgende : Befindet sich z. B. Kammer la unter Explosion, dann strömen von dieser durch das Rohr 13a heisse, hochgespannte Verbrennungsgase nach dem Injektor 14, wo der Brennstoff durch das Rohr 15 angesaugt und zerstäubt wird. Durch die Röhre 13e, in der der zerstäubte Brennstoff vollständig in Dampfform übergeht, wird er nach der Kammer Je,
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Dies wird dadurch erreicht, dass der Injektor 14 auch als Brennstoffverteiler ausbildet ist und der Reihenfolge entsprechend eine Kammer nach der andern mit Br@nnstoff versieht.
Ve@möge der Wirbelung der über Zündtemperatur erwärmten Mischluft findet in Kammer le alsbald eine explosionsartige Ver-
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was angängig ist, da die beigemischt@n Verbr@nnungsgase keinen frei@n Sauers@@ff @nthalten.
Werden durch diese Zuführung des Brennstoffes in @ inen Intervallen in einer Kammer nach der andern die Explosionen eingeleitet, dann ändert die Ahdiussfläche der ausströmend (n Verbrennungs-
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den benötigten Luftüberschuss, vorausgesetzt, dass keine Schmieröldämpfe anwesend sind, welche als Schutzkolloide die Verbrennung hinein. Es ist auch bekannt, dass die Anwesenheit von chemisch unbeteiligten Körpern, wie die Verbrennungsgase es sind. die Höchstarbeit praktisch nicht beeinflussen, wenn sie nicht im dissoziierten Zustand das System verlassen, da sich ihre Entropie nicht ändeit.
Versuche haben ferner ergeben. dass ein nach dem Injektorprinzip arbeitender Kompressor, dessen Misehgasstrom in kleinen Intervallen 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 diese im vorliegenden Fall geschieht, sehr ökonomisch arbeitet. Im ferneren ist zu beachten, dass die Kompression im primären Teil des Systems stattfindet und somit der Wirkungsgradkoeffizient des Kompressors nicht mehr mit dem schlechten Koeffizienten des Wirkungsgrades, z. B.
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Turbine gekuppelten Kompressor verdichtet würde.
Die sämtlichen Organe des Verbrennungskammeraggregates sind gewöhnlich von einem Mantel 12 umgeben ; die entstehenden Hohlräume sind von Flüssigkeit ausgefüllt.
Zwecks Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades wird die Innentemperatur der Wandungen der Verbrennungskammern auf der En1zündungstemperatur 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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aggregaten schon bei einer Temperatur der Wandungen von 450 bis 500 C ein, da die Entzündungs@ temperatur von Erdölen hier schon erreicht ist. Werden sehr wärmebeständige Materialien angewandt, so kann die Temperatur auch über 5000 C gehalten werden.
Dies wird z. B. bei Wasserkühlung dadurch erreicht, dass die Wände des Verbrennungsraumes aussen nicht mehr überall von Wasser umspült werden, sondern nur noch Partien davon in mehr oder weniger
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der Wandungen auf der Höhe von 450 bis 500#C gehalten wird.
Die höhere Temperatur der Kammerwände kann auch dadurch erreicht werden, dass das Kühlwasser unter entsprechendem Druck auf höherer Temperatur gehalten wird oder dass mit Dampf gekühlt wird ; bei Luftkühlung kann die Kühlrippenoberfläehe entsprechend verringert werden.
Als Kühlmittel können auch geschmolzene Salze angewandt werden. Besonders eignen sich Mischungen von Fluoriden, Bisulfaten und Chloriden, da sich ihr Schmelzpunkt bei zirka 300 C befindet
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so dass ein Wärmeausgleich gewährleistet wird, und da sie sich bis 1000#C nicht zersetzen und Eisen nicht angreifen.
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und die Verbrennungsluft durch einen mechanischen Kompressor zu verdichten. Auch könnte die Kombination des Strahllenkers und des Frischluftinjektors beibehalten werden, dessen Ansaugvolumen jedoch z. B. durch einen Rotationskompressor vergrössert wird, was für Flugzeuge Anwendung finden könnte.
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