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Kraftmaschine.
Die Erfindung betrifft eine Kraftmaschine, durch die das in einem gasförmigen Stoff, z. B. Dampf, Explosionsgase, Pressluft usw., aufgespeicherte Druckgefälle in lebendige Kraft umgeformt wird, indem bei der Erzeugung der Bewegung an Stelle eines Kolbens eine Flüssigkeit zu Hilfe genommen wird.
Maschinen dieser Gattung haben den Nachteil, dass die Hilfsflüssigkeit am äusseren und die Gase am inneren Schaufelradumfang wirksam sind, wobei die durch die sieh entspannenden Gase erzeugte Flüssigkeitsbewegung vom inneren zum äusseren Schaufelradumfange hin erfolgt. Das hat zur Folge, dass sich der trägflüssige Stoff, die Flüssigkeit, am äusseren Umfange des Schaufelrades, also der Stelle der grössten Geschwindigkeit, die leichtflüssigen Gase dagegen am inneren Sehaufelradumfange oder im inneren Schaufelradgehäuse sich befinden, wodurch grosse Reibungsverluste auftreten. Diese Reibungsverluste werden verstärkt durch die in der Flüssigkeit bei schneller Drehbewegung entstehenden Fliehkräfte, die einen Druck auf Gehäuse und Schaufelradwandungen hervorrufen.
Man hat versucht, durch Mischen der Treibgase mit der Hilfsflüssigkeit letztere leichtflüssiger zu machen. Hiebei zeigt sich aber die Schwierigkeit der Wiedertrennung von Gas und Flüssigkeit nach beendeter Entspannung.
Diese Nachteile werden gemäss der Erfindung dadurch vermieden, dass sich die unter dem Druck eines gasförmigen Stoffes stehende Hilfsflüssigkeit aus einem Schaufelkanal radial von aussen nach innen und durch einen innerhalb des Schaufelkranzes gelegenen Raum in einem andern Schaufelkanal radial von innen nach aussen bewegt.
In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt einen radialen Schnitt durch die Maschine der ersten Ausführungsform. Fig. 2 zeigt einen axialen Schnitt dazu. Fig. 3 zeigt die Maschine mit einer andern Schaufelform des Schaufelrades. Fig. 4 stellt dieselbe Maschine axial geschnitten mit einem entsprechenden Ausgleichbehä1ter dar. Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch einen Schaufelradkanal mit anderer Schaufelform. Fig. 6 zeigt den radialen Schnitt durch eine Maschine, bei der die Kanalform nach Fig. 5 angewandt ist und entsprechende Übergangskanäle und Drosselorgane angebracht sind. Fig. 7 zeigt den axialen Schnitt dazu. Die Fig. 8 und 9 zeigen Ausführungsmöglichkeiten bei grosseren Maschinenleistungen bzw. kleineren Drehzahlen.
Die Maschine nach Fig. 1 und 2 besteht aus dem Gehäuse 1, dem Gehäusedeckel 2, der Stopfbüchse 3, dem Laufrad 4, der Achse 5 und dem Achslager 6. Am äusseren Umfange des Gehäuses ist ein Gaseintrittsstutzen 7 und ein Gasaustrittsstutzen 8 angebracht. Die Achse 5 ist im Lager 6 drehbar gelagert und im Gehäuse mittels der Stopfbüchse 3 abgedichtet. Der äussere Durchmesser des Schaufelrades ist dem Gehäuse angepasst, das sich am Gasaustritt in Breite des Schaufelkanals in radialer Richtung erweitert. Gehäuse und Schaufelrad werden aus einem beliebig geformten Behälter 9, der im mittleren, schaufelfreien Teil des Rades am Gehäuse angeschlossen ist, mit einer Hilfsflüssigkeit gefüllt.
Letztere besteht bei Dampf aus Quecksilber oder einem andern flüssigen Metall, bei heissen Gasen aus Wasser, bei Pressluft aus Glyzerin oder einer andern kältebeständigen Lösung.
Die Wirkungsweise der Maschine ist folgende : Der gespannte gasförmige Stoff tritt durch die Eintrittsöffnung 7 in das Schaufelrad am Umfange ein. Da das Rad sich in Drehung befindet bzw. durch den tangentialen Gaseintrittsstoss in eine solche versetzt wird, verweilen die einzelnen Schaufelkanäle nur kurzfristig vor der Eintrittsöffnung, so dass nur eine kleine Menge des gasförmigen Stoffes in den jeweilig passierenden Schaufelkanal eintritt, die im weiteren Verlauf der Drehung expandiert.
Die verdrängte Flüssigkeit wird dabei in den Behälter 9 gedrückt und fliesst von hier aus bei Bedarf durch die Leitung 10 dem Schaufelrad wieder zu. Das Drehmoment wird durch die Strömungsbewegung der Gase von ihrem Eintritts-zum Austrittspunkt erzeugt.
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Die Schaufelform bei der Maschine nach Fig. 1 und 2 hat den Naehteil, Wdass bei schneller Drehbewegung des Schaufelrades in der Flüssigkeit Fliehkräfte ausgelöst werden, die der Entspannung
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kräfte nicht entstehen zu lassen, werden die Sehaufelkanäle wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 und 4 ausgeführt.
Bei diesem Schaufelrad sind die Sehaufelkanäle in Richtung des Drehsinnes stark nach vorwärts gekrümmt, so dass bei schneller Drehbewegung eine regelrecht Schaufelarbeit entsteht, d. h. die Flüssigkeit wird beim Drehen des Rades 4 infolge ihres Beharrungsvermögens vom äusseren
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stattfinden kann, tritt an Stelle der Bewegung ein entsprechend grosser dynamischer Druck innerhalb der Flüssigkeit auf, der im Mittelpunkt am grössten und der auftretenden Fliehkraft entgegengeriehtet ist. Die Flüssigkeit bildet beim Umlauf durch die Sehaufelarbeit eine in sich zusammengehaltene elastische runde Masse, bei der ein Zerstäuben oder Zerschleudern der Flüssigkeit in den Gasraum hinein nicht eintreten kann.
Das erzeugte Drehmoment wird um so grösser, je stärker die Schaufeln in der Drehriehtung nach vorwärts gekrümmt sind. Gleichzeitig steigt hiemit aber auch die Sehaufelarbeit bzw. der dynamische Druck im Mittelpunkt des Schaufelrades 4. Ferner wird die durch Entspannung und Auspuff verdrängte Flüssigkeitsmenge beim Anlauf durch den Auspuff herausgeschleudert. Eine solche Anordnung gestattet keine Belastungsschwankungen, da in einem solchen Falle ein Ersatz für zuviel herausgeschleuderte Flüssigkeit nicht mehr eintritt und das gute Arbeiten der Maschine gestört wird.
Um nun bei Belastungssehwankungen die benötigte Flüssigkeitsmenge im Schaufelrad 4 zu behalten, ist es erforderlich, einen Ausgleichbehälter 9 anzuordnen, welcher entweder mit dem Flüssigkeits-
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in demselben verbleibt, oder es wird dieser Ausgleiehsbehälter geschlossen und oberhalb des Flüssigkeitsstandes ein Gaspolster des betreffenden Antriebsstoffes hergestellt, dessen Druck mittels einer Regelvorrichtung entsprechend geregelt wird.
Beim Antrieb der Maschine durch heisse Gase und Wasser als Flüssigkeit tritt eine Verdampfung des Wassers ein. Da diese Dämpfe mit den Abgasen dauernd verlorengehen, muss die Flüssigkeit ersetzt
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der Flüssigkeit aus dem Abgasen durch Kühlung derselben und Wiederverwendung der Flüssigkeit ist möglich.
In Fig. 4 ist ein soleher Ausgleichbehälter, wie vorstehend beschrieben, beispielsweise dargestellt.
Der Ausgleichbehälter 9 ist ein geschlossener Hohlkörper, in dem im oberen Teil das Gaspolster vorgesehen ist. Der Flüssigkeitsstand wird durch das Schwimmerventil 13, welches am Eintritt der Flüssigkeit angebracht ist geregelt. Die Regelung des Polsterdruckes geschieht bei der gezeichneten Ausführungsform durch Anschluss des oberen Stutzens 14 am Ausgleichbehälter 9 an einer Stelle des Gehäuses, z. B. nach Fig. 3 am Stutzen 15, an welcher der gewünschte Polsterdruck in den Kanälen des Schaufelrades 4 herrscht. Bei Brennkraftmaschinen hat diese Anordnung den Vorteil, dass Dampf, welcher sich an der Oberfläche der Flüssigkeit im Ausgleiehbehälter bildet, nicht zur Erhöhung des Polsterdruckes führt, sondern dieser Dampf tritt in das Schaufelrad ein und wird hier noch ausgenutzt.
Auch fällt jegliche Vorrichtung zur Erzeugung des Polsterdruckes, der für sich wieder einen Energieverlust bildet, fort. Innerhalb des Schaufelkranzes ist noch eine Vorrichtung zu dem Zweck angebracht, die Flüssigkeitsströmung beim Austritt aus den Schaufelkanälen zu drosseln. Sie besteht aus dem Rundsehieber 17, welcher durch axiales Verschieben betätigt wird.
Die Maschine stellt in den beschriebenen Ausführungsformen eine reine Strömungsmaschine dar, die bei kleineren Leistungen einen schlechteren Wirkungsgrad als die Kolbenmaschine aufweisen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es ratsam, bei Schaufelrädern mit Hilfsflüssigkeit die Schaufelkanäle ähnlich wie bei der Kolbenkraftmaschine als Zylinder auszubilden und mit einer Kopfwand zu versehen. Diese Ausführung ist in grösserem Massstabe in Fig. 5 dargestellt. Der Kanal 11 bildet einen in sich geschlossenen schlauchartigen Raum gleich dem Zylinder einer Kolbenmaschine, an dessen einem Ende der Gaseinstromkanal vorgesehen ist. Der Kolben wird durch die Flüssigkeit gebildet.
An der Kopfwand sowie an der Flüssigkeitsoberfläehe im Kanal entstehen beim Füllen und bei der Expansion des gasförmigen Stoffes Kräfte, die einerseits ein Drehmoment, anderseits eine Flüssigkeitsströmung erzeugen. Die Wirkungsgrösse und Wirkungsrichtungen sind in der Zeichnung
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In Fig. 6 und 7 ist innerhalb des in der vorbesehriebenen Weise ausgebildeten Schaufelkranzes 4 ein Leitschaufelkörper 16 eingebaut, welcher die Flüssigkeit zu einem gewünschten Schaufelkanal an der Austrittsseite leitet. Der Leitschaufelkörper dreht sich nicht mit dem Schaufelrad, sondern wird mit dem Deckel 2 fest oder um einen bestimmten Kreiswinkel verstellbar verbunden.
Dies hat den Zweck, die an der Gaseintritts-und Expansionsseite entstehende Flüssigkeitsströmung an der Gasaustrittsseite durch Erzeugung eines Druckes bzw. eines Rückstosses auf die Kanalkopfwand in ein der Drehrichtung gleichgerichtetes Drehmoment umzuformen. Auch bei dieser Ausführungsform ist eine Vorrichtung zum Drosseln der Flüssigkeitsströmung beim Austritt aus den Schaufelkanälen angeordnet. Die Drosselung erfolgt hiebei durch axiales Verschieben eines kammartigen Drossel-
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schiebers 18, dessen Kämme in die Überleitungskanäle eingreifen.
Diese Drosselvorrichtungen er- möglichen durch Drosselung der Flüssigkeitsströmung, den Entspannungsvorgang der Gase innerhalb der Schaufelkanäle zu steuern und ein Übertreten der Gase in den mittleren Raum des Schaufelrades bezw. in den Leitschaufeln bei Überlast bzw. Rückhang der Drehzahl zu verhindern. Eine andere
Drosselmögliehkeit besteht darin, dass man den Leitschaufelkörper 16 in Fig. 6 etwas verdreht, so dass eine Rückdrosselung der in das Schaufelrad eintretenden Gase und dadurch eine Füllungsverringerung entsteht. Die Betätigung der Drosselorgane kann von Hand nach Bedarf oder mit Hilfe eines be- kannten Reglers, z. B. Fliehkraft-oder Öldruckregler, in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl oder dem Eintrittsdruck der Gase erfolgen.
Bei grösseren Maschinenleistungen ist es erforderlich, mehrere Schaufelräder 4 auf einer Achse anzuordnen. Eine solche Anordnung zeigt Fig. 8 im axialen Schnitt.
Bei langsam umlaufenden Maschinen kann man mehrere Ein-und Austrittsöffnungen 7, 8 des
Gases am Umfang des Gehäuses 1 verteilt anordnen. Ebenso können am Leitschaufelkörper 16 mehrere Gruppen von Kanälen angeordnet sein. Eine solche Ausführung ist in Fig. 9 im radialen Schnitt dargestellt.
Gegenüber den bekannten Kraftmaschine mit Hilfsflüssigkeit hat die Erfindung folgende Vorteile : Es wird nur ein Bruchteil der freiwerdenden Kräfte vermittels der Hilfsflüssigkeit in ein
Drehmoment umgesetzt, die Umformung des grössten Teiles erfolgt durch den Rückstoss auf die am Umfange des Rades liegenden Schaufelkanalwände. Die Strömungsgeschwindigkeit in den Leitschaufeln ist bedeutend kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit des Schaufelrades. In den Überleitungskanälen beträgt sie nur einen Bruchteil derselben. Deshalb sind grössere Geschwindigkeiten und somit kleinere Maschinen pro Leistungseinheit möglich. Es bedingt ferner die geringe Strömungsgeschwindigkeit der Hilfsflüssigkeit einen geringen Kraftverlust durch Reibung.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Kraftmaschine mit Antrieb durch gasförmige Stoffe, die von einem Teil des äusseren Umfanges eines Schaufelrades her auf eine Hilfsflüssigkeit in den Schaufelkanälen wirken, dadurch gekennzeichnet, dass sich die unter dem Druck eines gasförmigen Stoffes stehende Hilfsflüssigkeit aus einem Schaufelkanal radial von aussen nach innen durch einen innerhalb des Schaufelkranzes gelegenen Raum in einem andern Schaufelkanal radial von innen nach aussen bewegt.