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Nasse Verbrennungsturbine.
Als nasse Verbrennungsturbine oder auch nasse Gasturbine wird eine Maschinenart bezeichnet, die einen oder mehrere umlaufende oder feste Verbrennungsräume mit Ein-und Austrittsöffnungen für
Gase und für Flüssigkeit besitzt. Die Druckkraft der Verbrennungsgase wird von der in dem Verbrennungs-und Hubraum kolbenartig pendelnden Flüssigkeit aufgenommen und die Energie der Flüssigkeit durch Düsen oder Schaufeln auf eine Turbinenwelle übertragen. Die Abgabe der überschüssigen Energie der Flüssigkeit geschieht entweder unmittelbar während der Pendelbewegung der Flüssigkeit oder mittelbar unter Zuhilfenahme von Windkesseln, in welche die Flüssigkeit absatzweise hinein- gedrückt wird.
Demnach besteht eine nasse Verbrennungs-oder Gasturbine im wesentlichen aus einer Gaskolbenmaschine, deren Kolben und Triebwerk durch Flüssigkeit, welche zugleich eine Flüssigkeitsturbine betreibt, gebildet wird. Innerhalb der Verbrennungsräume können alle bei Kolbenmaschinen üblichen Arbeitsverfahren angewendet werden. Bei einer bekanntgewordenen Einrichtung beschreibt die Hauptmasse der Hilfsflüssigkeit einen Kreislauf, und ein Teil der Flüssigkeit führt eine hin und hergehende Bewegung in den Verbrennungszylindern aus. Dabei wird die Hauptmasse der Hilfsflüssigkeit mit einer im wesentlichen gleichbleibenden Geschwindigkeit und mit gleichbleibendem Drehsinn als Schwungmasse in einer ringförmigen Leitung geführt.
Eine andere bekanntgewordene Einrichtung besitzt zwei Verbrennungszylinder mit verhältnismässig grossem Hubraumquerschnitt. Diese sind durch je eine, mit Rückschlagventilen versehene Zuund Abführungsleitung verhältnismässig sehr geringen Querschnitts mit dem Anfang und Ende einer relativ sehr engen Umlaufleitung verbunden, durch welche die aus den Abführungsleitungen der Zylinder kommende Flüssigkeit in eine Flüssigkeitsturbine und von dort in die Zuführungsleitungen zu den Zylin- dern strömt.
Bei dem Betrieb dieser nassen Verbrennungsturbine wird während der Entspannung der Verbrennungsgase des ersten Zylinders das in dem zweiten Zylinder eingeführte entzündliche Gasgemisch verdichtet, wobei der Betriebsweise entsprechend der Enddruck des verdichteten frischen Gasgemisches kleiner ist als der Enddruck der Entspannung der Verbrennungsgase.
Im Gegensatz zu diesen bekannten Einrichtungen soll bei der nassen Verbrennungsturbine nach der Erfindung zwecks Erzielung einer sehr gleichmässigen Strömung in einer Flüssigkeitsturbine und technisch vorteilhafter kolbenartig pendelnder Strömungen innerhalb fester Hubräume eine weitgehende Ausnutzung von Massenwirkungen der Hilfsflüssigkeit erfolgen. Durch die weitgehende Ausnutzung von Massenwirkungen der Hilfsflüssigkeit soll unter anderm eine gleich vorteilhafte Ausnutzung stillstehender Verbrennungs-und Hubräume wie bei den bekannten Brennkraftmasehinen mit festen Kolben und mechanischem Getriebe erreicht werden.
Die Erfindung bezieht sich auf eine nasse Verbrennungsturbine mit einer Flüssigkeitsturbine in einer eine grosse, als Schwungmasse dienende Flüssigkeitsmenge im Kreislauf führenden Umlaufleitung, der die Hilfsflüssigkeit von vorzugsweise mehr als zwei Verbrennungs-und Hubräumen zum Antrieb der Turbine unter hohem Druck absatzweise zugeführt wird und aus der die Hilfsflüssigkeit in die Verbrennungs-und Hubräume zwecks Verdichtung frischen Treibgases unter entsprechend geringerem Druck absatzweise wieder abgeführt wird, wobei in jeder Verbindungsleitung eines Hubraumes mit der Umlaufleitung Ventile angeordnet sind, welche ein Zurückströmen der Hilfsflüssigkeit verhindern.
Die Erfindung besteht darin, dass das Verhältnis des mittleren Hubraumquerschnittes zu dem mittleren Querschnitt
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der Z. ufuhrungsleitung von einem Hubraum zu der Umlaufleitung sowie das Verhältnis des mittleren Hubraumquerschnittes zu dem mittleren Querschnitt der Umlaufleitung kleiner als fünf ist und dass die mittlere Länge der Zuführungsleitung von einem Hubraum zu der Umlaufleitung mindestens gleich der mittleren Hublänge ist.
In den Fig. 1 und 2 ist eine beispielsweise Ausführung einer erfindungsgemässen nassen Explosionsturbine dargestellt. Die Fig. 3 zeigt in schematischer Weise eine Ansicht dieser Maschine, wobei zwecks Darstellung der gesamten Umlaufleitung diese in der Zeichnungsebene abgewickelt und in Seitenansicht wiedergegeben ist. Die Fig. 4-10 geben im Zusammenhang mit der Fig. 3 für die entsprechenden Leitungsabschnitte die Drücke an, welche die Hilfsflüssigkeit in aufeinanderfolgenden Betriebszeiten besitzt. Die Fig. 11 veranschaulicht die Bedeutung des erfindungsgemässen Verhältnisses des mittleren Hubraumquerschnittes zu dem Querschnitt der Zuführungsleitung zu der Umlaufleitung durch die Darstellung von zwangläufig auftretenden Verlusten in Abhängigkeit von dem genannten Verhältniswert.
In der Fig. 12 ist eine für kolbenartig pendelnde Strömungen besonders vorteilhafte Ausführung eines Explosions-und Hubraumes angegeben und veranschaulicht, wie sich die Flüssigkeit in einem derartigen Hubraum bewegt. Die Fig. 13 gibt einen Querschnitt durch den Verbrennungs-und Hubraum, u. zw. von oben gesehen, wieder.
In den Fig. 1 und 2 bezeichnet 1 eine Flüssigkeitsturbine, von deren Welle die gewonnene Energie abgenommen wird, und 2 eine Umlaufleitung, die eine grosse Masse der Hilfsflüssigkeit in der durch Pfeile angedeuteten Richtung im Kreislauf führt. Mit 3 sind vier zylinderförmige Explosions-und Hubräume bezeichnet, aus denen bei der Expansion der Verbrennungsgase Hilfsflüssigkeit in die Umlaufleitung 2 durch die Verbindungsleitungen 4 geleitet wird. Zur Kompression frischen Treibgases in einem Zylinder wird eine entsprechende Menge Hilfsflüssigkeit aus der Umlaufleitung 2 durch die zugehörige Verbindungsleitung 5 abgeführt. In den Verbindungsleitungen 4 und 5 befinden sich an den Stellen 6 und 7 Rückschlagventile, welche ein Zurückströmen von Flüssigkeit verhindern.
Diese Ventile können sowohl in der Nähe oder im unteren Teil eines Zylinders wie auch in der Nähe der Mündung einer Verbindungsleitung in die Umlaufleitung angeordnet sein. Die Einführung frischen Treibgases in die Zylinder wird durch die Leitung 8, die Abführung der verbrannten Gase durch die Leitung 9 bewirkt. Die Steuerwelle 10 betätigt durch hydraulische Kraftübertragung die in den Zylindern liegenden Ventile für die Zuführung und Abführung der Gase. Der Brennstoff wird an der Stelle 12 am Kopf der Zylinder nach der Kompression frischer Luft eingeführt ; er kann naturgemäss auch der Frischluft zugeführt werden, bevor sie in einen Zylinder eingeführt und komprimiert wird.
Die Fig. 3 gibt schematisch eine Seitenansicht einer nassen Explosionsturbine wieder, wobei die wesentlichen Leitungen für die Flüssigkeitsführung in die Zeichnungsebene gelegt sind. Eine derartige Ansicht ergibt sich beispielsweise, wenn man sich in der Fig. 2 die Umlaufleitung 2 an einer Stelle des von der Flüssigkeitsturbine 1 fortführenden Krümmers durchschnitten und die geradlinigen Teile der Umlaufleitung um einen rechten Winkel gedreht denkt. Dann entspricht bei einer Blickrichtung, die
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Darstellung der Fig. 3. In dieser Figur stellt somit T die Flüssigkeitsturbine, 2'die Umlaufleitung, 3'einen Zylinder, 4'eine Zuführungsleitung und 5'eine Abführungsleitung dar.
In den unterhalb der Fig. 3 gezeichneten Fig. 4-10 sind die Flüssigkeitsdrücke veranschaulicht, die in den entsprechenden Leitungsabschnitten und von Flüssigkeit erfüllten Einrichtungen der nassen Explosionsturbine, gemäss Fig. 3, herrschen. Die aufeinanderfolgenden Figuren geben die Drücke in aufeinanderfolgenden Betriebszeiten eines Arbeitszylinders wieder. Die Höhe der Drücke ist durch den senkrechten Abstand der Drucklinien von der den absoluten Druck Null anzeigenden Linie 11 angedeutet. Es ist zu erkennen, dass die für die Umlaufleitung 2'massgebende Drucklinie bei allen durch die Fig. 4-10 dargestellten Betriebszeiten praktisch gleichbleibt. Geringfügige Druckänderungen in diesen Leitungsteilen treten fast ganz zurück gegenüber den grossen Druckunterschieden, die für die Vorgänge innerhalb des Zylinders 3'angedeutet sind.
Die absolute Höhe des Druckes in dem Teil der Umlaufleitung 2', welcher in Strömungsrichtung gesehen sich zwischen der Turbine T und der Abführungsleitung 5'befindet (Leitungsteil ganz rechts und ganz links in der Fig. 3), beträgt bei dem zugrunde liegenden Beispiel 5 Atm. In dem übrigen, zwischen der Zuführungsleitung 4'und der Turbine l'liegenden Teil der Umlaufleitung herrscht ein absoluter Druck von 13 Atm. Die Turbine arbeitet somit unter einem Gefälle von 8 Atm. oder 80 m Wassersäule.
Dieser Druckunterschied wird aufrechterhalten durch die periodischen Druckwirkungen in dem Zylinder 3' (sowie weiteren entsprechenden Zylinderräumen), wobei die nahezu konstante Höhe der Druckdifferenz einerseits dadurch erreicht wird, dass die in der Umlaufleitung 2'strömende Flüssigkeit die Funktion einer Schwungmasse in der gleichen Weise wie ein Schwungrad einer Dampfmaschine oder eines normalen Verbrennungsmotors erfüllt, und anderseits dadurch, dass die Flüssigkeit in den Verbindungsleitungen 4'und 5'infolge ihrer besonderen Massenwirkung die sehr grossen Druckschwankungen zwischen dem Hubraum und der Umlaufleitung dämpft und sehr wirksam ausgleicht.
Die Fig. 4-10 veranschaulichen im besonderen die Bewegung und die Druckänderungen der Flüssigkeitsmassen in den Verbindungsleitungen 4'und 5'.
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Der Fig. 4 ist der Zeitpunkt zugrunde gelegt, an dem der Flüssigkeitskolben in dem Zylinder 3' nach Durchgang durch die untere Totlage im Beginn der Aufwärtsbewegung ist. Das Ventil in der Leitung 4' ist geschlossen. Kurz vor dem dargestellten Zeitpunkt sind die Restgase der vorherigen Verbrennung aus dem Zylinder entlassen, und der Zylinder ist zur Durchführung eines Kreisprozesses nach dem Dieselverfahren mit frischer Verbrennungsluft gefüllt worden. In dem Zylinder herrscht somit ein absoluter
Druck von 1 Atm. An der Verbindungsstelle der Leitung 5'mit der Umlaufleitung ist ein Druck von 5 Atm. Infolge dieses Druckunterschiedes wird die Flüssigkeitsmasse in der Verbindungsleitung 5'in Richtung auf den Zylinder 3'hin in Bewegung versetzt. wie es durch den Pfeil angedeutet ist.
Die Druckhöhe längs der beschleunigten Flüssigkeitssäule in der Leitung 5'ändert sich infolge der
Massenwirkung naturgemäss proportional mit der Länge. Die Flüssigkeitsmasse in 5'strömt mit zunehmender Geschwindigkeit in den Zylinder 3'ein. Dabei wird die in dem Zylinder 3'eingeschlossene
Luft allmählich verdichtet. Wenn die Verdichtung einen Druck von 5 Atm. erreicht hat, strömt die in der Leitung 5'und im Zylinder 3'befindliche Flüssigkeitsmasse mit grösster Geschwindigkeit. Diese
Geschwindigkeit und die Trägheit der Masse bewirken sodann ein weiteres Eindringen von Flüssigkeit in den Zylinder 3'und eine weitere Verdichtung der in dem Zylinder eingeschlossenen Luft.
Dieser Betriebszustand ist in der Fig. 5 angedeutet. Der Luftdruck in dem Zylinder 3'ist bereits wesentlich grösser als 5 Atm., die Geschwindigkeit nimmt allmählich ab.
In der Fig. 6 ist dargestellt, dass die Luft in dem Zylinder 3'eine Kompression von ungefähr 40 Atm. erreicht hat. Die in der Leitung 5'und im Zylinder befindliche Flüssigkeitsmasse hat infolge des hohen
Gegendruckes der in dem Zylinder komprimierten Luft ihre Geschwindigkeit nahezu bis zum Stillstand verzögert.
Kurze Zeit später kommt die Massenbewgeung zum Stillstand, das Ventil in der Verbindungsleitung 5'wird geschlossen und das Ventil in der Verbindungsleitung 4'geöffnet.
Es wird nunmehr Brennstoff in den Zylinder 3'eingeführt und zur Verbrennung gebracht.
In der Fig. 7 ist dargestellt, dass sodann infolge des in dem Zylinder 3'herrschenden hohen Druckes die Flüssigkeitsmasse im Zylinder und in der Verbindungsleitung 4'in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung in Bewegung versetzt wird. Der Gasdruck von ungefähr 40 Atm. drückt die Flüssigkeitsmasse mit steigender Geschwindigkeit durch die Verbindungsleitung 4'in die Umlaufleitung 2', deren Flüssigkeitsdruck an der Ausströmstelle der Leitung 4'nur etwa 13 Atm. beträgt.
Mit fortschreitender Expansion der Verbrennungsgase verringert sich der Gasdruck. Die Fig. 8 veranschaulicht die Druckhöhe im Zylinder und der Leitung 4'bei einem bestimmten Wert des Zylinderdruckes. Da der Zylinderdruck nach Fig. 8 noch höher liegt als der Druck in dem von dem Zylinder gespeisten Teil der Umlaufleitung 2', so erfährt die Flüssigkeitsmasse im Zylinder und der Leitung 4' noch eine weitere Beschleunigung ihrer Geschwindigkeit.
Sobald die Expansion der Verbrennungsgase in dem Zylinder 3'so weit fortgeschritten ist, dass der Gasdruck unter den Druck in dem beaufschlagten Teil der Umlaufleitung 2'sinkt, wird die Geschwindigkeit der in 4'strömenden Flüssigkeitsmasse verzögert. Kurz vor dem Ende des Arbeitshubes ist die Geschwindigkeit nahezu Null geworden und der Druck der Verbrennungsgase durch Öffnen des Gasauslassventils auf den normalen Druck der Atmosphäre gesunken. Diesen Betriebszustand veranschaulicht die Fig. 9.
Im unteren Umkehrpunkt des Hubes wird sodann das Ventil in der Leitung 4'geschlossen und das Ventil in der Leitung 5'geöffnet. Ferner werden die Restgase der Verbrennung aus dem Zylinder ausgetrieben und durch frische Luft ersetzt. Es folgt darauf gemäss der Darstellung in Fig. 10 eine erneute, zuerst allmähliche Einströmung von Flüssigkeit in den Hubraum des Zylinders 3'durch die Verbindungsleitung 5'hindurch, deren Inhalt an Flüssigkeitsmasse in der gleichen Weise, wie es bei der Fig. 4 beschieben wurde, in Bewegung versetzt wird. Somit wiederholt sich nach dem Durchlaufen der dargestellten Betriebszustände der gesamte Prozess in periodischer Folge.
Es ist zu erkennen, dass bei dem in entsprechender Weise versetzten Zusammenwirken mehrerer Zylinder, von welchen jeder mit gesonderten Verbindungsleitungen zu der gemeinsamen Umlaufleitung 2' ausgerüstet ist, eine besonders vorteilhafte, gleichmässige Strömung und ein nur sehr wenig schwankender, gleichmässiger Druck in der Umlaufleitung 2'erzielt wird. Deshalb sind vorzugsweise mehr als zwei Zylinder anzuordnen. Anderseits ist aber auch ein Betrieb mit nur zwei Zylindern oder auch nur einem Verbrennungszylinder möglich. Dabei können zur störungsfreien Erhaltung der Geschwindigkeit der grossen Flüssigkeitsschwungmasse, die sich in der Umlaufleitung 2'befindet, verschiedene einfache Massnahmen angewandt werden. So kann ein zusätzlicher, als Windkessel ausgebildeter kleiner Hubraum in gleicher Weise wie ein normaler Verbrennungszylinder angeordnet werden.
Ferner kann eine einfache, kurze Verbindungsleitung mit einem Rückschlagventil zwischen dem Ende und dem Anfang der Umlaufleitung 2', also parallel zu den Leitungen 5'und 4'angeordnet sein, durch welche die kontinuierliche Strömung in der Umlaufleitung 2'während der Totpunktlagen der Kolbenbewegung aufrechterhalten wird.
In allen Fällen ist es aber zur Erzielung technisch vorteilhafter, kolbenartig pendelnder Strömungen innerhalb der Hubräume und zwecks vorteilhafter Ausnutzung der Explosionszylinder von entscheidender
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Bedeutung, dass der mittiere. Hubraumquerschnitt eines Zylinders in einem gewissen Verhältnis zu dem mittleren Querschnitt der Zuführungsleitung 4'zu der Umlaufleitung steht. Der mittlere Hubraum- querschnitt darf gegenüber dem mittleren Querschnitt der Zuführungsleitung zu der Umlaufleitung nicht zu gross sein, wenn unzulässig grosse Strömungsverluste vermieden werden sollen.
Es würden allein schon durch die Wandreibung unerträglich grosse, derartige Verluste verursacht, wenn die Flüssigkeit bei vorteilhaft grossen Kolbengeschwindigkeiten, wie sie bei normalen Verbrennungsmotoren angewandt werden, gezwungen würde, durch verhältnismässig enge Leitungen aus dem Zylinderraum in eine Umlaufleitung zu strömen. Ferner ergeben sich aber ausser durch Wandreibung auch durch Wirbelbildung gewisse
Strömungsverluste, wenn die Flüssigkeit mit ansteigender und wieder abnehmender Geschwindigkeit aus einer Zuführungsleitung in die die Flüssigkeit in gleichmässigem Strom führende Umlaufleitung eintritt.
Der Energieverbrauch dieser Wirbel sowie derjenige der Wandreibung ist aber bei vorteilhaft hohen
Kolbengeschwindigkeiten dadurch höchst einfach in zulässigen Grenzen zu halten, dass der mittlere Hubraumquerschnitt nicht über ein gewisses Mass grösser ausgeführt wird als der mittlere Querschnitt der
Zuführungsleitung von einem Hubraum zu der Umlaufleitung.
Die Fig. 11 veranschaulicht diese Zusammenhänge. Die Abszisse des Diagramms gibt das Verhältnis des mittleren Hubraumquerschnittes zu dem mittleren Querschnitt der Zuführungsleitung von einem Hubraum zu der Umlaufleitung wieder. In Abhängigkeit von diesem Verhältnis sind die Verluste aufgetragen, die sich bei vorteilhaft hohen Kolbengeschwindigkeiten durch die Strömung der Flüssigkeit aus dem Zylinderraum in die Umlaufleitung einstellen. Die Höhe der Verluste ergibt sich aus den bekannten Erfahrungszahlen über die Strömung von Flüssigkeiten in Rohren. Die Verluste sind in Prozenten desjenigen Energiebetrages angegeben, der einem indizierten mittleren Druck eines Verbrennungszylinders von 8 Atm. entspricht.
Ausser diesem bei Verbrennungsmotoren normalen mittleren Druck ist eine mittlere Geschwindigkeit des Flüssigkeitskolbens zugrunde gelegt, wie sie bei den üblichen Ausführungen von Verbrennungsmotoren mit festen Kolben vorliegen. Als Hilfsflüssigkeit ist Wasser angenommen. Die Fig. 11 zeigt,. dass die Verluste in bezug auf die nutzbare Gasenergie kleine sind, wenn der Hubraumquerschnitt nicht sehr gross ist gegenüber dem Querschnitt der Zuführungsleitung von einem Hubraum zu der Umlaufleitung. Mit einem grösseren Verhältnis dieser Querschnitte nehmen die Verluste zu und erreichen bei dem Verhältnis 13 bereits eine Höhe, die so gross ist wie die gesamte im Gasdruck verfügbare Gasenergie.
Es werden in diesem Falle bei normaler mittlerer Kolbengeschwindigkeit die Geschwindigkeiten in der Zuführungsleitung von einem Hubraum zur Umlaufleitung so hoch, dass die bekanntlich mit dem Quadrat der Geschwindigkeit steigenden Strömungsverluste einen praktischen Betrieb und eine technisch vorteilhafte Ausnutzung der Brennstoffenergie allein schon wegen der Verluste in der Zuführungsleitung unmöglich machen. Bei derartig grossen und bei andern Ausführungen vielfach vorgeschlagenen Verhältniswerten der Querschnitte ist demnach nur ein Betrieb mit relativ sehr kleinen Kolbengeschwindigkeiten praktisch durchführbar, wobei sich aber infolge der kleinen Kolbengeschwindig- keiten eine unzulässig geringe Ausnutzung des Zylinderraumes ergibt.
Somit ist zu erkennen, dass eine technisch vorteilhafte Ausführung einer nassen Explosionsturbine notwendig mit einem'Verhältniswert der genannten Querschnitte ausgeführt werden muss, welcher ein gewisses Mass nicht übersteigt. Die sowohl hinsichtlich der erwünschten Ausnutzung des Explosions-und Hubraumes wie aber auch in bezug auf die zulässigen Verluste einzuhaltende Grenze liegt bei einem mittleren Hubraumquerschnitt, welcher im Höchstfalle ungefähr fünfmal grösser ist als der mittlere Querschnitt der Zuführungsleitung von einem Hubraum zu der Umlaufleitung.
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ist die Grösse des mittleren Querschnittes der Umlaufleitung.
Somit ist es für eine technisch vorteilhafte Bauart einer nassen Explosionsturbine von entscheidender Wichtigkeit, dass der Hubraumquersehnitt auch in bezug auf den Querschnitt der Umlaufleitung nicht zu gross ausgeführt ist. Für das Verhältnis beider Querschnitte besteht ebenfalls die Regel, dass das Verhältnis des mittleren Hubraumquersehnittes zu dem mittleren Querschnitt der Umlaufleitung zweckmässig kleiner als 5 ist.
Um ferner bei einer technisch vorteilhaften Ausnutzung des Zylinderraumes nicht zu plötzliche Kolbenbewegungen zu erhalten, die wegen zu geringer Zünd-und Brennzeit eine vollständige Verbrennung ebenso unmöglich machen würden wie eine Steuerung der erforderlichen Gas-und Flüssigkeitsventile, ist es auch noch erforderlich, die Zuführungsleitung zu der Umlaufleitung mit einer nicht zu Meinen Längserstreckung auszuführen. Durch eine entsprechende Länge der Zuführungsleitung wird im Zusammenhang mit der Anordnung eines zweckmässigen Querschnittes ohne weiteres eine vorteilhafte Wechselwirkung zwischen dem Gasdruck und geeigneten Flüssigkeitsmassen erreicht.
Im allgemeinen werden ausreichende Zeiten für die Verbrennung des Treibstoffes und die Betätigung der Steuerungen dann erreicht, wenn die mittlere Länge der Zuführungsleitung von einem Hubraum zur Umlaufleitung mindestens gleich der mittleren Hublänge des Flüssigkeitskolbens (im Zylinder 3) ist.
Ähnliche Zusammenhänge, wie sie für die Kolbenbewegung und die Ausführung der Zuführungsleitung dargelegt sind, bestehen auch für die Kolbenbewegung und die Abführungsleitung aus der Umlaufleitung zu einem Hubraum, die in der Fig. 2 mit 5 und in der Fig. 3 mit 5'bezeichnet ist. So ist es zwecks Einhaltung geringer und zulässiger Strömungsverluste in den meisten Fällen vorteilhaft, dass das Ver-
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hältnis des mittleren Hubraumquerschnittes zu dem mittleren Querschnitt der Abführungsleitung aus der Umlaufleitung zu einem Hubraum kleiner als 5 ist.
Weil ferner bei der Abführung von Flüssigkeit aus der Umlaufleitung in einen Zylinder lediglich eine Kompression von Gas, aber keine besondere Zeit- räume erfordernde Verbrennung stattfindet und weil der mittlere Gasdruck bei der Kompression er- heblich kleiner ist als bei der Expansion der verbrannten Gase, so kann die Länge der Abführungsleitung im allgemeinen kleiner sein als die der Zuführungsleitung. Zwecks Erzielung günstiger Massenwirkungen und geeigneter Zeiträume für die Betätigung der Steuerungen ist die mittlere Länge einer Abführungs- leitung aus der Umlaufleitung zu einem Hubraum jedoch zweckmässig grösser als die Hälfte der mittleren
Hublänge des Flüssigkeitskolbens auszuführen.
Da die Verwendung von Flüssigkeit es ermöglicht, dem Hubraum sowohl wie den Verbindungs- leitungen von dem Hubraum zu der Umlaufleitung eine beliebige Form und verschieden grosse, senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Flüssigkeit stehende Querschnitte zu geben, so ist es zur Kennzeichnung der wesentlichen Merkmale der Erfindung von Bedeutung, dass sich die Merkmale auf die für die Strö- mungsverhältnisse massgebenden mittleren Werte der Querschnitte und Längen beziehen. Diese mittleren
Werte ergeben sich für die Querschnitte als der nach bekannten Methoden gebildete Mittelwert aller senkrecht zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit liegenden Querschnitte, wobei bei dem Vorhandensein von Querströmungen als Strömungsrichtung diejenige Bewegungsrichtung der Flüssigkeit anzusehen ist, durch welche im Hubraum oder in der Umlaufleitung Verdrängungsarbeit geleistet wird.
Diese Bestim- mung der Strömungsrichtung der Flüssigkeit steht naturgemäss in unmittelbarem Zusammenhang mit der erfindungsgemässen Ausnutzung der Massenwirkungen der Flüssigkeit. Die mittleren Längen be- stimmen sich aus den gleichen Gründen aus der Verbindungslinie aller Schwerpunkte der zu der gekenn- zeichneten Strömungsrichtung senkrecht stehenden Querschnitte. Die Länge der Verbindungsleitungen von einem Hubraum zu der Umlaufleitung sind dabei von dem Schwerpunkt der Kolbenoberfläche in der unteren Totlage des Kolbens (der bei beendeter Expansion erreicht wird) bis zu dem Schwerpunkt des Mündungsquerschnittes in der Umlaufleitung zu messen.
In vielen Fällen ist es ohne erheblichen Aufwand möglich, die Zuführungsleitung von einem Hubraum zu der Umlaufleitung mit einem Querschnitt auszuführen, der fast ebenso gross ist oder auch etwas grösser ist als der Hubraumquerschnitt. In diesen Fällen kann es erreicht werden, dass die Maschine mit besonders geringen Verlusten arbeitet oder dass bei noch zulässigen Strömungsverlusten eine besonders grosse Kolbengeschwindigkeit und eine entsprechend hohe Ausnutzung des Hubraumes erzielt wird. Demgemäss ist in Weiterbildung der Erfindung ein Verhältnis des mittleren Hubraumquerschnittes zu dem mittleren Querschnitt der Zuführungsleitung von einem Hubraum zu der Umlaufleitung vorteilhaft, welches gleich 0-5-2 ist.
Aus ähnlichen Gründen, wie sie für die Zuführungsleitung massgebend sind, kann es in vielen Fällen vorteilhaft sein, das Verhältnis des mittleren Hubraumquerschnittes zu dem mittleren Querschnitt der Abführungsleitung aus der Umlaufleitung zu einem Hubraum gleich 0'5-2 auszuführen.
Für die motorische Ausnutzung verschiedener Brennstoffe ist bekanntlich eine verschiedene Zündund Brennzeit erforderlich. Ausserdem sind bei der Durchführung verschiedener wärmetechnischer Verbrennungsprozesse im allgemeinen unterschiedliche Zeiträume einzuhalten. Ferner folgt aus verschiedenen absoluten Grössen der Zylinderräume die Notwendigkeit der Anwendung verschieden langer Zeiten für den gesamten Verbrennungs-und Arbeitsprozess. Die in den verschiedenen Fällen technisch vorteilhaftesten Zeiträume zur Durchführung der Verbrennung und Expansion sind aus der Technik der mit festen Kolben und mechanischem Getriebe arbeitenden Verbrennungsmotoren bekannt.
Bei der nassen Explosionsturbine der Erfindung werden die bekannten, zweckmässig einzuhaltenden Zeiträume der Verbrennung und Expansion durch die Massenwirkung der Flüssigkeit am vorteilhaftesten dann erzielt, wenn die mittlere Länge der Zuführungsleitung von einem Hubraum zu der Umlaufleitung 2-10mal grösser ist als die mittlere Hublänge.
Die Verdichtung von in einen Zylinder eingeführtem brennbarem Gasgemisch oder von Verbrennungsluft wird bekanntlich bis zu sehr verschiedenen Druckhöhen geführt, wobei im allgemeinen die Natur des Brennstoffes und die Festigkeit der Zylinderwandungen das zulässige Mass der Verdichtung vorschreiben. Naturgemäss steht bei einer nassen Explosionsturbine das Mass der Verdichtung im Zusammenhang mit der für die Verdichtungsarbeit aufzuwendenden Zeit. In gleicher Weise bestimmt die absolute Grösse der Maschine, die Abmessung der zu betätigenden Ventile u. dgl. den vorteilhaft aufzuwendenden Zeitaufwand für die Verdichtung des Treibgases.
Die Massenwirkung der Flüssigkeit in der Abführungsleitung ergibt die sowohl für die Ausnutzung des Hubraumes wie für die Betätigung der Steuerungen vorteilhaftesten Zeiten und Verhältnisse, wenn die mittlere Länge der Abführungsleitung aus der Umlaufleitung zu einem Hubraum l-5mal grösser ist als die mittlere Hublänge.
In Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn in der Zuführungsleitung von einem Hubraum zu der Umlaufleitung Rückschlagventile oder Rückschlagklappen angeordnet sind. Aus der. Fig. 4 ist zu entnehmen, dass der Druck in dem mittleren Teil der Umlaufleitung 2'bei der Anordnung von Rückschlagventilen in der Leitung 4'eine selbsttätige Sperrung gegen ein Zurückströmen von Flüssigkeit in den Zylinder 3'bewirkt. Das Rückschlagventil wird dann mit allmählich steigender Beschleunigung
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in Bewegung versetzt, wenn der Druck im Zylinder 3'über den Druck in dem mittleren Teil der Umlaufleitung 2'steigt.
Das Ventil befindet sich somit bereits in Bewegung, wenn infolge des Verbrennungsdruckes der Zylindergase eine erhebliche Beschleunigung der in der Verbindungsleitung 4'ruhenden Flüssig- keitsmasse erfolgt, so dass eine anfängliche Drosselung vermieden und eine vorteilhafte, schnelle und weitere Eröffnung der Ventilquerschnitte ohne besondere Hilfsmittel erzielt wird. Im übrigen hat die Anordnung von Rückschlagventilen naturgemäss'den Vorteil, dass sich die Ventilbetätigung, dem Druckwechsel zwischen dem Zylinder und der Umlaufleitung folgend, selbsttätig ergibt.
In gleicher Weise ist es in Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft, wenn in der Abführungsleitung aus der Umlaufleitung zu einem Hubraum Rückschlagventile angeordnet sind. Diese Ventile erfüllen eine entsprechende Funktion und erhalten unter der Wirkung des Druckes in der Umlaufleitung eine gleich günstige Einleitung der Ventilbewegung wie Rückschlagventile in der Zuführungsleitung. Sobald kurze Zeit vor dem in der Fig. 9 veranschaulichten Betriebszustand der Druck in dem Zylinder 3'unter den Druck sinkt, der in dem links von dem Zylinder liegenden Teil der Umlaufleitung 2'besteht, tritt eine allmähliche Bewegung der Rückschlagklappen oder-ventile in der Verbindungsleitung 5'ein, so dass
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erfolgt.
Die Geschwindigkeit der strömenden Massen in der Zuführungsleitung von einem Hubraum zu der Umlaufleitung bedingt in gewissen Grenzen die Strömungsgeschwindigkeit in der Umlaufleitung, wenn eine Strömung mit besonders geringen Verlusten bei der Einströmung und in der Umlaufleitung erzielt werden soll. Demgemäss ist es im allgemeinen vorteilhaft, den mittleren Querschnitt der Umlaufleitung 2-8mal grösser auszuführen als den mittleren Querschnitt einer Zuführungsleitung von einem Hubraum zu der Umlaufleitung.
Die Anordnung eines verhältnismässig grossen Querschnittes der Umlaufleitung führt insbesondere auch zu einem vorteilhaften Strömungsausgleich der von mehreren Zuführungsrohren mit wechselnder Geschwindigkeit beaufschlagten Umlaufleitung, so dass ungünstige Rückwirkungen von einer Mündung einer Zuführungsleitung auf eine andere vermieden werden.
Für die Erzielung einer vorteilhaften Strömung innerhalb eines Hubraumes und einer entsprechend günstigen Ausnutzung eines Zylinders kann es von besonderer Bedeutung sein, in welcher Weise die Flüssigkeit aus der Abführungsleitung in den Hubraum hineingeführt wird. Dies ergibt sich bei freier Oberfläche des Flüssigkeitskolbens insbesondere daraus, dass sich die Oberfläche beim Beginn der Einführung von Flüssigkeit in den Hubraum in grösster Nähe der Einführungsstelle befindet und dass deshalb die Oberfläche leicht durch praktisch stets auftretende, unvermeidbare Wirbelballen und Querströmungen der eindringenden Flüssigkeit ungünstig beeinflusst werden kann.
Derartige Nachteile werden aber auch bei freier, durch keinen Abdeckkolben od. dgl. geschützten Oberfläche weitgehend vermieden, wenn die Abführungsleitung aus der Umlaufleitung zu einem Hubraum mit zum Teil tangentialer Richtung in den Hubraum mündet. Die Flüssigkeit erhält dann durch die Einströmung neben der Hubbewegung auch eine kreisförmige Bewegung, durch welche Unebenheiten der Oberfläche naturgemäss leicht ausgeglichen werden. Dabei ist es aber nicht zweckmässig, dass die Mündung der Abführungsleitung in den Hubraum vollständig in tangentialer Richtung liegt, es ist vielmehr vorteilhaft, der Richtung neben einer tangential zu dem zylindrischen Hubraum verlaufenden Komponente auch eine Komponente zu geben, welche die Flüssigkeit in der axialen Richtung des Kolbenhubes einführt.
Auf diese Weise werden wesentliche Richtungsänderungen der Strömung innerhalb des Hubraumes vermieden und die günstigsten Bedingungen für eine kolbenartig pendelnde Strömung mit freier Oberfläche der Flüssigkeit erzielt.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines Hubraumes zur Durchführung derartiger, pendelnder Kolbenströmungen besteht in einem Hohlraum zwischen je einem konzentrisch und senkrecht angeordneten grösseren und kleineren Zylinder mit am oberen Ende unter Einhaltung eines grösser werdenden Abstandes auf kleinere Radien geführten Wänden. Die Vergrösserung des Abstandes der Wände des Hubraumes mit kleiner werdendem Radius ist zweckmässig, um einen vergrösserten oder ungefähr gleichbleibenden Hubraumquerschnitt zu erzielen. Die Fig. 12 gibt den Achsschnitt durch eine beispielsweise Ausführung eines solchen Hubraumes wieder ; die Fig. 13 zeigt eine Figur von oben. In diesen Figuren bezeichnet 13 die Wandung des grösseren und 14 die Wandung des kleineren zylindrischen Körpers.
Die Mündung der Abführungsleitung aus der Umlaufleitung in den Zylinderraum ist mit 15 bezeichnet. Ferner ist in der Fig. 12 beispielsweise die Lage der Flüssigkeitsoberfläche in dem Hubraum für verschiedene Zeitpunkte des Kolbenhubes angegeben. Die beiden Linien 16 bezeichnen die Lage im unteren Totpunkt, 17 und 18 zwei Zwischenstellungen und 19 die Lage des Flüssigkeitsspiegels im oberen Totpunkt. Unter der Wirkung der Drehbewegung stellt sich die Flüssigkeitsoberfläche in dem Ringraum zwischen den Zylindern mit einer Neigung zu dem inneren Zylinder hin ein.
Gegen Ende der Einströmung und Aufwärtsbewegung des Kolbens wird die Lage des Flüssigkeitsspiegels steiler infolge der Wirbelbewegung und des dadurch bedingten Anwachsens der Zentrifugalkräfte in der Nähe der Flüssigkeitsoberfläche.
Diese durch die Form des Hubraumes und die teils tangentiale Einführung der Flüssigkeit bewirkte Strömung ist besonders vorteilhaft zur Durchführung einer kolbenartig pendelnden Bewegung bei
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günstiger Ausnutzung des Hubraumes. Die Flüssigkeitsmassen in Oberflächennähe werden in der oberen Totlage des Kolbens mit besonders grosser Zentrifugalkraft gegen die rückwärts liegenden Flüssigkeitsmassen gedrückt, so dass sich die Oberfläche wie die Begrenzung eines festen Kolbens verhält. Dies ist für die Bewegung in dem oberen Teil des Kolbenhubes von sehr wesentlicher Bedeutung, weil bei den hohen Kompressions-und Verbrennungsdrüeken eine sehr erhebliche Verzögerung und Rückwärtsbeschleunigung der Kolbenmasse erfolgt.
Wenn in diesem Teil des Kolbenhubes keine besonderen Massnahmen zur Erhaltung einer glatten Flüssigkeitsoberfläche getroffen werden, so besteht die Gefahr einer Mischung der Flüssigkeit mit dem Treibgas, wodurch ein praktischer Betrieb unmöglich würde.
Eine derartige Gefahr besteht dagegen nicht für die Bewegung in dem unteren Teil des Kolbenhubes, welcher an der unteren Totpunktlage angrenzt. In dem unteren Teil des Kolbenhubes wird bei der Einströmung die gesamte Flüssigkeitsmasse dauernd beschleunigt, so dass die Oberfläche durch die rückwärts liegenden Massen stetig vorwärts getrieben wird. Dabei ist es naturgemäss nicht ohne weiteres möglich, dass sich Flüssigkeitsteile aus der Oberfläche lösen und in den Gasraum eintreten.
Bei der Ausströmung aus dem Zylinder treten im unteren Teil des Kolbenh"bes ähnliche Verhältnisse auf, da bei der Verzögerung der gesamten Flüssigkeitsmasse alle an die Oberfläche grenzenden Teile zwangläufig auf die unteren Massen drücken und deshalb keine Möglichkeit haben, unter Zerstörung der glatten Oberfläche in den Gasraum überzutreten.
Es ist somit von besonderer Bedeutung und besonders vorteilhaft, die langsam rotierende flüssige Kolbenmasse im oberen Teil des Kolbenhubes zwecks Erzeugung eines schnell rotierenden Wirbels auf kleinere Radien zu führen, während für den unteren Teil des Kolbenhubes eine entsprechende Vorsorge für die Erhaltung einer glatten Oberfläche und einer eindeutigen Abgrenzung gegen den Gasraum nicht erforderlich ist. Daraus ergibt sich für den unteren Teil des Kolbenhubes der Vorteil verhältnismässig geringer absoluter Strömungsgeschwindigkeiten, die nicht angewandt werden könnten, wenn die gesamte Flüssigkeit während des ganzen Hubes in Form eines Ringes frei umlaufen würde, wie dies bereits vorgeschlagen worden ist.
Ausser der Vermeidung unnötig grosser Geschwindigkeiten und entsprechender Verluste im unteren Teil des Kolbenhubes werden aber durch die besondere Flüssigkeitsführung auch bauliche Vorteile, insbesondere sehr günstige Ausführungsmöglichkeiten des eigentlichen Verbrennungsraumes, erreicht.
So ist in Weiterbildung der Erfindung die Anordnung eines Verbrennungsraumes an einem in der Mitte des oberen Endes des grösseren Zylinders befindlichen rohrförmigen Ansatz besondess vorteilhaft.
In der Fig. 12 ist der rohrförmige Ansatz mit 20 und der Verbrennungsraum mit 21 bezeichnet. Durch die erfindungsgemässe Anordnung des Verbrennungsraumes wird insbesondere der Vorteil erreicht, dass die Verbrennung im wesentlichen innerhalb erwärmter und fester Wandungen durchgefürrt wird, so dass eine Kondensation und ein Verlust von Brennstoff durch ein Niederschlagen auf der Flüssigkeitsoberfläche weitgehend vermieden wird. Ausserdem ist naturgemäss auch die Anordnung einer für die verbrennungstechnischen und baulichen Bedingungen besonders geeigneten Form des Verbrennungsraumes ohne weiteres auszuführen.
Zur Durchführung des Gaswechsel in dem Zylinder ist zweckmässig ein ringförmiges Ventil um den rohrförmigen Ansatz des grösseren Zylinders anzuordnen. Ein derartiges, in der Fig. 12 mit 22 bezeichnetes und durch an den Rippen 23 angreifende Hebel zu betätigendes Ventil passt sich der strömungstechnisch vorteilhaften Form des Hubraumes ohne weiteres an. Es erfährt ausserdem eine völlig symmetrische thermische Beanspruchung, womit eine besonders gute Haltbarkeit und Dichtung während des Betriebes gegeben ist.
In gleicher Weise vorteilhaft zur Durchführung des Gaswechsel ist es, an dem kleineren Zylinder ein Ventil, vorzugsweise einen gleichsinnig mit der Kolbenbewegung zu betätigenden Schieber, anzuordnen. Ein derartiges als Schieber ausgebildetes Ventil ist in der Fig. 12 mit 24 bezeichnet. Es ist durch das Gestänge 25 zu betätigen. Ein solcher, an dem kleineren Zylinder angeordneter Schieber gestattet mit verhältnismässig kleiner Ventilbewegung grosse Durchströmquerschnitte freizulegen und zugleich den Innenraum des kleineren Zylinders für die Gasführung auszunützen. Besonders vorteilhaft ist ein derartiges Ventil als Auslassventil für die verbrannten Gase zu verwenden, weil es bei der Hubbewegung des Kolbens während verhältnismässig langer Zeiträume durch die Flüssigkeit gekühlt wird.
Wird das Ventil 22 zugleich als Einlassventil für frische Gase benutzt, dann ergibt sich eine vorteilhafte Gleichstromspülung bei dem Gaswechsel in dem Zylinderraum.
Die besonderen Vorteile der nassen Explosionsturbine der Erfindung gegenüber den bekannten Verbrennungskraftmaschinen bestehen in der einfachen Bauart und der Einfachheit, Zwangläufigkeit und Sicherheit des Betriebes, der durch die Ausnutzung der Massenwirkungen der Hilfsflüssigkeit ohne besondere Massnahmen erreicht wird. Neben der einfachen und wohlfeile Bauart besitzt die Maschine auch den Vorteil, dass sie ohne weiteres die Anwendung wohlfeile, aschehaltiger Brennstoffe bei höchst wirtschaftlicher Ausnutzung der Brennstoffenergie ermöglicht. Gegenüber den bekannten Bauarten nasser Explosionsturbinen zeichnet sich die erfindungsgemässe Bauart auch besonders dadurch aus, dass bei technisch sehr vorteilhafter Ausnutzung der Zylinderräume und hohen Kolbengeschwindigkeiten nur geringe Strömungsverluste auftreten.