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Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer mit einer Verbrennungskraftmaschine vereinigten Flüssigkeitsturbine.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb von Flüssigkeitturbinen, insbesondere solchen von Freistrahlturbinen mittels Verbrennungskraftmaschinen, wobei die kinetische Energie des aus der am Zylinder angeordneten Düse austretenden Wasserstrahles durch Explosion und Dehnung des Treibmittels einer Verbrennungskraftmaschine erzielt wird. Hiebei ersetzt die in den Zylinder unter Druck eingebrachte Flüssigkeit den Kolben der Verbrennungskraftmaschine und bewirkt solcherart die Verdichtung des Treibmittels, worauf es nach der Explosion bzw. Verbrennung desselben selbst wieder als Treibmittel für die Freistrahlturbine aus dem Zylinder ausgeblasen wird.
Die Vorrichtung ist demzufolge durch die Vereinigung einer im wesentlichen nach dem Zweitaktsystem arbeitenden Verbrennungskraftmaschine mit einer Freistrahlturbine gekennzeichnet, wobei die den Kolben des Verbrennungszylinders bildende unter Druck eingebrachte Flüssigkeitsmenge durch die am Zylinder angeordneten Düsen nach der Explosion die Schaufeln eines Peltonrades beaufschlagt, wobei Mittel vorgesehen sind, dass nicht nur die gesamte bei der Kompression den Druckkolben bildende Flüssigkeitsmenge, sondern auch die nachfolgenden Verbrennungsgase sowie ein Teil der des weiteren nachfolgenden Spülluft auf die Tangentialradschaufeln einwirken.
Durch dieses Verfahren sollen die Vorteile des Turbinenbetriebes mit jenen des Kolbenmaschinenbetriebes vereinigt werden, ohne dass die Nachteile beider Systeme hiebei in Kauf genommen werden müssen. Die bekannten Vorteile der Kolbenmaschinen bestehen darin, dass das Arbeitsmedium mit geringer Geschwindigkeit strömt, die Expansion und Kompression in demselben Zylinder bewirkt wird, die Tourenregelung einfach ist und die Umfangsgeschwindigkeiten so niedrig sind, dass in vielen Fällen ein direktes Kuppeln ohne Übersetzungen möglich ist.
Die erfindungsgemäss ausser Betracht fallenden Nachteile der Kolbenmaschinen sind die hin-und hergehenden Massen sowie die Verluste infolge der Umsetzung der geradlinigen in die drehende Bewegung,
Begrenzung der Kompressionsdrücke wegen Gefahr der Selbstzündung und damit begrenzter thermischer
Wirkungsgrad, schwierige Schmierung, keine Überlastungsfähigkeit, hoher Brennstoffverbrauch bei Drosselstellungen, Verlust der Auspuffenergie sowie die Notwendigkeit eines Schwungrades.
Anderseits haben die mit den bekannten Vorteilen verwendeten Gasturbinen den Nachteil eines schlechteren
Wirkungsgrades, einer hohen Geschwindigkeit des Arbeitsmediums, dadurch grosse Reibungsarbeit, die sich in Wärme umsetzt und die hiedurch bedingten Verluste jene von Kolbenmaschinen weit über- treffen sowie hohe Umlaufgeschwindigkeiten, welche immer Reduktionsgetriebe erforderlich machen, hohe Betriebstemperaturen, komplizierte Kühleinrichtungen und schwierigeRegelung. Gemäss vorliegender
Erfindung wird jedoch als treibendes Mittel der Maschine Wasser benutzt, welchem in getrennten Kammern, in denen es gleichzeitig den Kompressionskolben ersetzt, durch Expansion von Verbrennungsgasen die notwendige Energie erteilt wird.
Auf der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens im Schema, Fig. 2 eine beispielsweise Aus- führungsform derselben in Ansicht und Fig. 3 in Draufsicht.
Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Freistrahlturbine 1, einer Wasserpumpe 2. einem Niederdruckgemischgebläse. 3 und aus ein oder mehreren Zwillingsgruppen von Verbrennung- kammern 4 und . Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist nunmehr folgende :
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Durch Inbetriebsetzung der Pumpe 2, die zweckmässig von ein ? m von der Triebachse J getrennt angeordneten Motor angetrieben wird, wird das von der Turbine 1 abgeflossen Wasser. das sich am Boden eines mit einer Nachfüllöffnung 6 versehenen Gehäuse 7 ansammelt, durch ein Steigrohr 8 und durch das Wassereinlassventil 9 in jene der beiden Arbeitskammern 4 und 4'eingebracht, welche vorher durch das Gebläse 3 ausgespült wurde und mit Frischgas gefüllt ist.
Das Auslassventil 10, dessen Feder 11 so bemessen ist, dass sie gerade dem Kompressionsenddruck standhält, wird durch das Öffnen des Wasser-
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der Verbrennungskammer befindlichen Wasserkolben mit entsprechender Geschwindigkeit durch die Düse-M nach aussen, wobei der austretende Wasserstrahl unmittelbar auf die Schaufeln des Freistrahlrades 1 einwirkt und dieses dadurch antreibt. Da das Auslassventil 10 durch den Verriegelungshebel 73 in der Offenstellung gehalten bleibt, strömen die bis zu einem gewissen Grad entspannten Verbrennungs- gase nach, die bei ihrem Austritt das noch im Zylinder befindliche Wasser mitreissen und wirken gleich- falls leistlmgserzeugend auf das Schaufelrad der Hochdruckturbine.
Es wird also die den Auspuffgasen noch innewohnende Energie im Gegensatz zu den übrigen Gasmaschinen grösstenteils in nutzbare Arbeit umgesetzt. Sofern die Entspannung der Auspuffgase unter den Druck des mit geringem Überdruck wirkenden Gaskompressor 3 gesunken ist, öffnet sich das auf diesen Überdruck mit der Feder 16 ein- stellbare Einlassventil J7, wodurch die mittels des Kompressors eingebrachte Frischluft die Abgase vor sich herschiebt und den Zylinder spült. Ein in den Kompressor einmündendes Gebläss füllt die Kammer 4 nach dem Schliessen des Auslassventiles 10 mit frischem Gas, worauf sich das Spiel in dieser Kammer wie besehrieben wiederholt.
Das Schliessen des Auslassventiles-M und gleichzeitige Einströmen des Wasstrs wird dadurch bewirkt, dass die beiden Wassereinlassventile 9 und 9'zwangsläufig durch eine Stange 18 derart miteinander gekuppelt sind, dass beim Schliessen des einen Ventile s das andere geöffnet wird.
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kann auf mehrfache Art in einfachster Weise durchgeführt werden. Die Wasserpumpe 2, welche die
Kompressionsarbeit zu leisten hat sowie das Gasgebläse 3 können direkt auf der Turbinenwelle 5 sitzen.
Zur Erzielung einer guten Regelung ist es jedoch vorteilhaft, diese Hilfsmaschinen durch einen gemein- samen Elektromotor 22 anzutreiben und ist eine beispielsweise Ausführungsform der Anlage in Fig. 2 und 3 in Auf-und Grundriss dargestellt. Hiebei ist die Wasserpumpe 2 direkt mit dem Elektromotor 22 ge- kuppelt, während das Gasgebläse 3 jedoch zur Erzielung kleinerer Abmessungen erst unter Zwischen- schaltung von Übersetzungsrädern 23 an den Motor angeschlossen ist, wodurch eine vielfache Tourenzahl des Elektromotors für das Gebläse erzielt wird.
Der Elektromotor 22 wird beispielsweise von einer Akkumulatorenbatterie, welche gleichzeitig auch anderen Zwecken dienen kann (Beleuchtung bei Kraftfa, hr- zeugen u. dgl.), gespeist und dient zugleich zum Anwerfen der Anlage, da im Augenblick, in welchem die Funktion der Wasserpumpe und des Gasgebläses einsetzen, der Arbeitsprozess eingeleitet wird. Es entfällt daher ein Anlassen mittels von der Anlage getrennten Mitteln. Die Regulierung kann durch
Drosseln des Gasgemisches sowie durch Verengung des Düsenquerschnittes mit Hilfe von Nadeln nach der bei Peltonrädern üblichen Art erfolgen.
Bei der in der Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform mit getrennten und von der Turbine unabhängigen Antrieb der Wasserpumpe und des Gebläses ist es durch Regelung der Umlaufszahl des Elektromotors 22 möglich, nur durch diese eine ausserordentlich feine Regelung zu erzielen, da durch Veränderung der Wasser-oder Gasmenge der pulsierende Arbeitsvorgang in den Zylindern und somit die Umdrehungszahl der Turbine bei sonst gleichbleibenden Verhältnissen verzögert oder beschleunigt wird.
Ausserdem fliesst durch Erweiterung des für ein normales Drehmoment eingestellten Düsenquerschnittes das Wasser bei gleichbleibender Geschwindigkeit schneller aus der Düse ab, wodurch das Schaufelrad 1 in der Zeiteinheit mehr Wasser erhält, wobei naturgemäss die Tourenzahl der Wasserpumpe 2 und des Gasgebläses 3 entsprechend dem höheren Bedarf erhöht werden muss und sonach das Drehmoment der Turbine wesentlich gesteigert werden kann.
Es kann sonach bei gleichbleibender Tourenzahl der Turbine durch Erhöhung der Umdrehungszahl der Hilfsmaschinen unter gleichzeitiger Erweiterung der Düsenquerschnitte eine wesentliche Drehmomenterhöhung und somit eine starke Uberlastungsfähigkeit erzielt werden, wodurch selbst bei Maschinen mit stark wechselnder Belastung (Kraftfahrzeuge od. dgl. ) ein mechanisches Wechselgetriebe entfällt oder nur in zweistufiger Art ausgebildet werden muss. Eine Änderung des Drehmomentes ist überdies in einfachster
Art durch Änderung des Pumpendruckes möglich, da, die dadurch bedingte veränderliche Kompression eine Leistungsveränderung zur Folge hat.
Eine weitere Möglichkeit der Regulierung und Drehmomenten- steigerung besteht bei Anordnung mehrerer Gruppen von Zwillingsverbrennungskammern, welche gemeinsam auf das Turbinenrad wirken, darin, dass einzelne Doppelkammem bei entsprechender Regelung der Umlaufszahl der Hilfsmaschinen zu-oder abgeschaltet werden. Die konstruktive Ausbildung der
Vorrichtung ist eine beliebige.
Ebenso können in Abänderung des dargestellten Ausführungsbeispieles am Zylinder vor den Düsen 15 eigene Einspritzröhrehen vorgesehen sein, durch welche Wasser in die austretenden Verbrennungsgase eingespritzt wird um deren treibende Wirkung auf das Schaufelrad 1 zu erhöhen. Überdies kann die Form der Düse 15 bzw. 151 sowie die Feder 11 dem Ventilhub derart angepasst sein, dass der Ventilteller ;
? zur Abflachung der Spitzen des Diagramms nach der Explosion sich an der der Verschlussöffnung gegenüberliegenden Wand der Düse derart nähert, dass der Austritts- querschnitt so stark verengt ist, dass nur ganz geringe Wassermengen unmittelbar nach der Explosion ausströmen können, um solcherart den hohen Explosionsdruck längele Zeit auf den Wasserkolben wirken zu lassen, worauf bei sinkendem Druck der Ventilteller langsam zurückkehrt und in der in Fig. l gezeichnete verriegelten Stellung erst anlangt, wenn schon die letzten Flüssigkeitsmengen mit Auspuffgasen gemischt zum Austritt gelangen. Hiedurch wird der Flüssigkeitsdruck auf die Schaufeln während einer Expansionsdauer gleichmässiger gestaltet.
An Stelle des Gasgebläses 3 kann auch ein Luftgebläse Verwendung finden, wobei der Brennstoff nach Art des Dieselverfahrens in die hochkomprimierte Luft eingespritzt wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Betrieb einer mit einer Verbrennungskraftmaschine vereinigten Flüssigkeitturbine, dadurch gekennzeichnet, dass der in einer Verbrennungskraftmaschine die Kompression des Treibmittels bewirkende Flüssigkeitskolben aus der Verbrennungskammer nach der Explosion selbst wieder als Treibmittel auf eine Hochdruckturbine geschleudert wird.
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Method and device for operating a liquid turbine combined with an internal combustion engine.
The invention relates to a method and a device for operating liquid turbines, especially those of free jet turbines, by means of internal combustion engines, the kinetic energy of the water jet emerging from the nozzle arranged on the cylinder being achieved by explosion and expansion of the propellant of an internal combustion engine. The liquid introduced into the cylinder under pressure replaces the piston of the internal combustion engine and thus causes the compression of the propellant, whereupon it is blown out of the cylinder again as propellant for the free jet turbine after the explosion or combustion of the same.
The device is therefore characterized by the combination of an internal combustion engine working essentially according to the two-stroke system with a free-jet turbine, whereby the amount of liquid which forms the piston of the combustion cylinder and which is introduced under pressure acts upon the blades of a Pelton wheel through the nozzles arranged on the cylinder after the explosion, whereby means are provided that not only the entire amount of liquid forming the pressure piston during compression, but also the subsequent combustion gases and part of the subsequent scavenging air act on the tangential impeller blades.
This method is intended to combine the advantages of turbine operation with those of piston engine operation without the disadvantages of both systems having to be accepted. The well-known advantages of the piston machines are that the working medium flows at low speed, the expansion and compression are effected in the same cylinder, the tour control is simple and the circumferential speeds are so low that in many cases a direct coupling without gear ratios is possible.
The disadvantages of the piston machines that are disregarded according to the invention are the reciprocating masses and the losses due to the conversion of the straight into the rotating movement,
Limitation of the compression pressures due to the risk of self-ignition and thus limited thermal
Efficiency, difficult lubrication, no overload capacity, high fuel consumption in throttle positions, loss of exhaust energy and the need for a flywheel.
On the other hand, the gas turbines used with the known advantages have the disadvantage of inferior
Efficiency, a high speed of the working medium, thus great friction work, which is converted into heat and the resulting losses far exceed those of piston engines as well as high rotational speeds, which always require reduction gears, high operating temperatures, complicated cooling equipment and difficult control. According to the present
In the invention, however, water is used as the driving medium of the machine, to which the necessary energy is given by the expansion of combustion gases in separate chambers, in which it simultaneously replaces the compression piston.
In the drawing, an example embodiment of the invention is shown, u. 1 shows a device for carrying out the method in a diagram, FIG. 2 shows an example of an embodiment of the same in a view and FIG. 3 shows a plan view.
The device essentially consists of a free jet turbine 1, a water pump 2. a low-pressure mixture fan. 3 and from one or more twin groups of combustion chambers 4 and. The mode of operation of the device is now as follows:
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By starting up pump 2, which is expediently controlled by a? m is driven by the motor arranged separately from the drive axis J, the water drained from the turbine 1 is drained. which collects at the bottom of a housing 7 provided with a refill opening 6, introduced through a riser pipe 8 and through the water inlet valve 9 into that of the two working chambers 4 and 4 ', which was previously flushed out by the fan 3 and filled with fresh gas.
The outlet valve 10, the spring 11 of which is dimensioned so that it just withstands the final compression pressure, is opened by opening the water
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The water piston located in the combustion chamber at the corresponding speed through the nozzle-M to the outside, the exiting water jet acting directly on the blades of the free jet wheel 1 and thereby driving it. Since the outlet valve 10 remains in the open position by the locking lever 73, the combustion gases, which have been relaxed to a certain extent, flow in, which entrain the water still in the cylinder when they exit and also have a power-generating effect on the impeller of the high-pressure turbine.
In contrast to the other gas machines, the energy still inherent in the exhaust gases is largely converted into usable work. If the expansion of the exhaust gases has fallen below the pressure of the gas compressor 3, which operates with a slight excess pressure, the inlet valve J7, which can be adjusted to this excess pressure with the spring 16, opens, whereby the fresh air brought in by the compressor pushes the exhaust gases in front of it and flushes the cylinder . A fan opening into the compressor fills the chamber 4 with fresh gas after the outlet valve 10 is closed, whereupon the game in this chamber is repeated as described.
The closing of the outlet valve-M and simultaneous inflow of the water is brought about by the fact that the two water inlet valves 9 and 9 'are inevitably coupled to one another by a rod 18 in such a way that when one valve closes the other is opened.
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can be carried out in multiple ways in the simplest possible way. The water pump 2, which the
Has to perform compression work and the gas fan 3 can sit directly on the turbine shaft 5.
In order to achieve good regulation, however, it is advantageous to drive these auxiliary machines by a common electric motor 22 and an example embodiment of the system is shown in plan and floor plan in FIGS. 2 and 3. In this case, the water pump 2 is coupled directly to the electric motor 22, while the gas blower 3 is only connected to the motor with the interposition of transmission gears 23 to achieve smaller dimensions, whereby a multiple number of revolutions of the electric motor is achieved for the blower.
The electric motor 22 is fed, for example, by an accumulator battery, which can also serve other purposes (lighting for motor vehicles, hr- zeugen, etc.), and is also used to start the system, since at the moment when the function of the water pump and of the gas blower, the work process is initiated. There is therefore no need for starting using means separate from the system. Regulation can through
Throttling of the gas mixture and narrowing of the nozzle cross-section with the help of needles are carried out in the manner customary with Pelton wheels.
In the embodiment shown in Figs. 2 and 3 with separate and independent of the turbine drive of the water pump and the fan, it is possible by regulating the number of revolutions of the electric motor 22 to achieve an extremely fine control only by this, since by changing the water -or the amount of gas the pulsating work process in the cylinders and thus the number of revolutions of the turbine is delayed or accelerated with otherwise constant conditions.
In addition, by expanding the nozzle cross-section set for a normal torque, the water flows out of the nozzle faster at the same speed, which means that the paddle wheel 1 receives more water per unit of time, with the number of revolutions of the water pump 2 and the gas blower 3 being increased according to the higher demand must and therefore the torque of the turbine can be increased significantly.
With the same number of revolutions of the turbine, by increasing the number of revolutions of the auxiliary machines with simultaneous expansion of the nozzle cross-sections, a significant increase in torque and thus a strong overload capacity can be achieved, whereby a mechanical gearbox is not required even in machines with strongly changing loads (motor vehicles or the like) only needs to be trained in two stages. A change in the torque is also very simple
Type possible by changing the pump pressure, since the resulting variable compression results in a change in performance.
A further possibility of regulation and torque increase consists in arranging several groups of twin combustion chambers, which act together on the turbine wheel, in that individual double chambers are switched on or off with corresponding regulation of the number of revolutions of the auxiliary machines. The constructive training of the
Device is any.
Likewise, in a modification of the illustrated embodiment, separate injection tubes can be provided on the cylinder in front of the nozzles 15, through which water is injected into the exiting combustion gases in order to increase their driving effect on the impeller 1. In addition, the shape of the nozzle 15 or 151 and the spring 11 can be adapted to the valve stroke in such a way that the valve disk;
? To flatten the tips of the diagram after the explosion, the nozzle on the wall opposite the closure opening is so narrowed that the outlet cross-section is so narrow that only very small amounts of water can flow out immediately after the explosion, in order to keep the high explosion pressure for a long time to act on the water piston, whereupon the valve plate slowly returns when the pressure drops and only reaches the locked position shown in FIG. 1 when the last amounts of liquid, mixed with exhaust gases, reach the outlet. This makes the liquid pressure on the blades more even during an expansion period.
Instead of the gas blower 3, an air blower can also be used, the fuel being injected into the highly compressed air in the manner of the diesel process.
PATENT CLAIMS:
1. A method for operating a liquid turbine combined with an internal combustion engine, characterized in that the liquid piston causing the compression of the propellant in an internal combustion engine is thrown out of the combustion chamber as propellant onto a high-pressure turbine after the explosion.