Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines zur Leistung meelianiseher Arbeit dienenden Gasstrahles. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Er zeugung eines zur Leistung nnechanischer Arbeit dienenden Gasstrahles.
Das Verfahren beruht darauf, dass aus Verbrennungs kammern während der Verbrennung ab strömende Teilstrahlen und ein Verbren- r_ungsluftstrahl sich gegenseitig aus ihrer ursprünglichen Richtung ablenken und dass diese Strahlen an ihrer Berührungsstelle we nigstens annähernd gleich schnell strömen, und dass sie sich, ohne sich miteinander zu ver mischen, wieder trennen, und dass, in verän derter ,Strömungsrichtung, nur die Teil strahlen allein nach aussen abströmen, dass hingegen der Verbrennungsluftstrahl ge zwungen wird, zurückzuströmen, um sich in die in der Füllungsperiode befindlichen Ver brennungskammern zu ergiessen und diese mit Luft aufzuladen.
Die Vorrichtung, im folgenden auch Verbrennungskammeraggregat genannt, be sitzt eine Mehrzahl von Verbrennungskam mern, die um eine Luftleitung angeordnet sind und durch Kanäle mit einer koaxial zur Luftleitung liegenden Hauptdüse in Verbin dung stehen. Die Kanäle stehen schief winklig zur Achse der Luftleitung und der Hauptdüse, derart, dass beim Austreten eines Teilstrahles aus einer der Verbrennungs kammern dieser Teilstrahl eine Verbindung von der Luftleitung nach den übrigen Ka nälen bezw. den übrigen Kammern frei lässt.
Auf diese Weise ist es möglich, mittelst einfacher Apparatur von grösstmöglicher Be triebssicherheit entweder einen kontinuier lichen oder intermittierenden Gasstrahl von hohem Arbeitsvermögen zu erzeugen, welcher in Wärmekraftmaschinen irgend welcher Art, zum Beispiel Turbinen, Kolbenmaschinen, Injektoren oder Propulsatoren und der gleichen in mechanische Arbeit umgesetzt werden kann. Propulsatoren sind Apparate, in denen durch das Ausstossen eines Gas strahles ein kräftiger Schub zum unmittel baren. Antrieb von Fahrzeugen irgend wel cher Art erzeugt wird.
In der beigelegten Zeichnung sind bei spielsweise Ausführungsformen des Verbren- nungskammernaggregates schematisch darge stellt, und es zeigen: Fig. 1 ein Verbrennungslzammernaggre- gat mit gerader Kammernanzahl im Achsial- schnitt, Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Ver- brennungskammernaggregat mit drei Kam mern.
Das V erbrennungskammernaggregat nach Fig. 1 besitzt vier geschlossene Kammern la-1c1, von denen in der Figur nur die Kam mern la und 1e sichtbar sind. Die Kammern des Aggregates sind symmetrisch um die Mit telachse herum und parallel zu dieser ange ordnet. Sie haben am obern Ende Stutzen 2a, <U>'</U>c bezw. 2b, 2d und am untern Stutzen 3a, 3c bezw. 3b, 3d. Sowohl die obern, als auch die untern Stutzen münden alle schiefwinklig in gemeinschaftliche achsial nach unten ge richtete Düsen; die obere ist mit 4 und die untere mit 5 bezeichnet.
Die obere Düse 4 bildet die Strahldüse eines Strahlliompressors 17 und ragt in das trompetenförmige Zentral rohr 7 des Strahlkompressors hinein, welcher zum Ansaugen und Beschleunigen der zur Verbrennung nötigen Frischluft dient. Die Frischluft gelangt durch die Öffnungen 8 in das trompetenförmige Rohr 7 und strömt als Strahl 6 unter starker Beschleunigung durch das Rohr nach unten.
Analog den obern Stutzen münden, wie schon angedeutet, auch die untern Stutzen 3a bis 3d unter schiefen Winkeln in eine Düse 5, die Hauptdüse des Aggregates, und bilden mit dieser zusammen einen Strahllenker 16, welcher den Strahlen, die ihn durchströmen, eine ganz bestimmte Führung erteilt.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig.l ist die Hauptdüse 5 am untern Ende im schiefen Winkel abgeschnitten, ähnlich einer Laval- düse; durch die Düse 5 tritt der Gasstrahl nach aussen und gelangt zum Beispiel in die Beschauflung von Turbinenrädern, um dort Arbeit zu verrichten.
Die Arbeitsweise des Verbrennungsaggregates ist nun folgende: Findet zum Beispiel in der Kammer la eine Explosion statt, so strömen die hochgespa.nu- ten Verbrennungsgase mit grosser Geschwin- digkeit einerseits durch den gekrümmten Ab zugsstutzen ''a, die Strahldüse 4 und das Rohr 7 nach unten, und anderseits durch den Stutzen 3a und die Hauptdüse 5 nach aussen. Die Verbrennungsgase, welche aus der Strahldüse l austreten, haben grosse Ge schwindigkeit und bohe Temperatur.
Im Rohr i entsteht zufolge des Mitreissens von Luft; die durch die Öffnungen 8 eintritt, ein Verbrennungsluftstrahl, der reichlich Frisch luft enthält, aber eine Temperatur behält, welche über der Entzündungstemperatur des verwendeten Brennstoffes liegt. Der durch den Stutzen 3a in der Richtung des Pfeils 9 abströmende Teilstrahl erfährt an der Stelle, wo der Verbrennungsluftstrahl in den Strahllenker 16 eintritt, durch den Verbren nungsluftstrahl eine Ablenkung nach der Hauptdüse 5, etwa wie es Kurve 10 andeutet.
Die Anordnung kann nun so getroffen sein, dass zum Beispiel immer zwei benachbarte Kammern unter Explosion stehen; dann wird der engte Querschnitt der Hauptdüse 5 voll kommen durch die aus diesen beiden Kam mern durch deren untere Stutzen abströmen den Teilstrahlen ausgefüllt, so dass der aus dem Rohr 7 kommende Verbrennungsluft strahl infol",e dieses scharfen Abschlusses nicht wie die Teilstrahlen durch die Haupt düse abströmen kann, sondern in der Rich tung des Pfeils 11 abgelenkt wird und durch den Strahllenker 16 in die zu füllende Kam mer 1c gelangt.
Der Verbrennungsluftstrahl und die Teilstrahlen besitzen an ihrer gemein samen Berührungsstelle im Strahllenker we- ni-stens annähernd gleich grosse Geschwin digkeit. Eine Mischung des Verbrennungs- luftstrahles mit den Teilstrahlen findet im Strahllenker nicht statt.
Ist die Anordnung so getroffen, dass im mer nur eine Kammer unter Explosion steh'-, dann sind die lichten Weiten der Stutzen 3a und 3c zwecl:mä.ssig ungefähr gleich gross wie der engste Querschnitt der Hauptdüse 5, so dass die Oberfläche der Teilstrahlen wieder möglichst kompakt bleibt und keine Neigung zeigt, sich mit dem Verhrennungsluftstrahl zu vermengen, Die in der Verbrennungskammer je. ge langende, mit Verbrennungsgasen gemischte Verbrennungsluft treibt die restlichen Ver brennungsgase aus dieser Kammer durch den Stutzen 2c ebenfalls nach der Strahldüse 4.
Die Quantität der auszustossenden Verbren nungsgase ist ziemlich klein, da durch das Beharrungsvermögen der während der Ex plosion rasch austretenden Gase in den eben entleerten Kammern eher ein Unterdruck re sultiert.
Von ganz besonderer Wichtigkeit ist es nun, dass die Mischgase des Strahlkompressors mit grosser Geschwindigkeit in die verhältnis mässig kleinen Kammern geschleudert wer den, diese also rasch füllen und dann plötzlich zum Stillstand gelangen. Da gleichzeitig eine ebenso plötzliche Richtungsänderung beim Aufprallen auf dem obern Kammerboden stattfindet, so ergibt sich während kleinen Zeiträumen, ähnlich wie beim hydraulischen Widder, eine ganz bedeutende Druckstei- gerung, verbunden mit,
starker Durchwir- belung. Der Kompressorstrahl selbst erhält durch die Explosionen ständig heftige Im pulse, unter Resonnanzerscheinungen, wo durch die Massenstosswirkung verstärkt wird, und zwar um so mehr, je höher die Zahl der Impulse gehalten wird. Auf diese Weise ist möglich, erhebliche Staudrücke für kurze Zeitdauer in der Kammer<B>je</B> zu erzeugen. Während der kurzen Zeitdauer des Stau- druckma.ximums gelangt der eingeblasene Brennstoff zur Verbrennung, die somit unter gutem thermischen Wirkungsgrad erfolgt.
Sobald die Verbrennung in Kammer<B>je</B> mit der daraus resultierenden Drucksteigerung stattfindet, tritt in den Stutzen 3a und 3c eine Umkehrung der Bewegung ein. In diesen Stutzen findet, entsprechend der Füllungs- und Verbrennungsperioden, somit eine stän- rIi-e Umkehrung der Strömungsrichtung statt, während in den Stutzen 2a und 2c fort während dieselbe Strömungsrichtung herrscht.
Das Verbrennungskammernaggregat kann entweder mit vielen Kammern, zum Beispiel 5, 6, 7 oder 8 versehen sein oder mit wenigen, am besten mit. zweien oder dreien. Beim viel- kammerigen Aggregat werden die Verbren nungen zweckmässig so eingeleitet, dass diese immer in mindestens drei Kammern in ver schiedenen Stadien stattfinden, wodurch dann in der Hauptdüse ein ziemlich konstanter Gasstrahl entsteht.
Beim dreikammerigen Aggregat befindet sich vorteilhaft immer nur je eine Kammer in der Verbrennungsperiode. Je nach der mehr oder weniger raschen Rei henfolge der Verbrennungen ist dann auch der aus der Hauptdüse 5 abströmende Gas strahl konstant oder intermittierend. Im letz teren Fall können die einzelnen Intervalle so gross sein, dass durch das Beharrungsvermögen des Kompressorstrahles Frischluft angesaugt wird und zwischen zwei Verbrennungsperio den ebenfalls durch die Hauptdüse abströmt, welche Luft zum Beispiel kühlend auf die Beschaufelung des Turbinenrades einer an da.s Aggregat angeschlossenen Turbine wirkt.
Fig. .\2 veranschaulicht eine Ausführungs form des Verbrennungskammernaggregates mit Ö Kammern im Querschnitt.
Die Brexinstoffzuführung wird bei den in der Zeichnung dargestellten Aggregaten in der Weise erreicht, dass durch ein enges Röh- rensystem, welches die Kammern unterein ander und mit einem zentral gelegenen In- ,jektor verbindet, hochgespannte und er hitzte Verbrennungsgase, -welche aus den Kammern unter Explosion in solche im Fül- lun.;
-sstadium strömen, flüssigen Brennstoff ansaugen, zerstäuben und verdampfen und in Dampfform zur Mischung mit der hocher hitzten Verbrennungsluft bringen, wodurch ein(" plötzlich einetzende, explosionsartige Verbrennung erreicht wird.
Gemäss Fig.l. sind die Kammern ja bis 1(l mit dem einen Ende der engen Röhren 13a bis 13i, die in ihren untern Teil münden, in Verbindung. Die Röhren sind mit dem andern Ende an den zentralen Injektor 14 ange schlossen, in welchen der Brennstoff durch das Rohr 15 gelangt, das gewöhnlich noch als ein die Zufuhr regelndes Organ ausge baut ist. Die Z@'irkungsweise ist folgende: Befindet sich zum Beispiel Kammer la unter Explosion, dann strömen von dieser durch das Verbindungsrohr 13a heisse, hoch gespannte Verbrennungsgase nach dem In jektor 14, wo der Brennstoff durch das Rohr 15 angesaugt und zerstäubt wird.
Durch das Rohr 13e, -in dem der zerstäubte Brennstoff vollständig in Dampfform übergeht, wird er nach der Kammer 1e, das heisst der Kammer unter Staudruck, mit grosser Geschwindigkeit als heisser Gasdampfstrom transportiert. Ver möge der Wirbelung des über Zündtempera- tur erwähnten Gemisches aus Verbrennungs luft und Verbrennungsgasen findet in Kam mer 1c alsbald eine explosionsartige Ver brennung statt. Auch der Brennstoffdampf kann über seine Entzündungstemperatur er wärmt sein, was angängig ist, da die beige mischten Verbrennungsgase keinen freien Sauerstoff enthalten.
Werden durch diese Zuführung des Brenn stoffes in kleinen Intervallen in einer Kam mer nach der andern die Explosionen einge leitet, dann ändert die Abschlussfläche der nusströmenden Verbrennungsgase bei 10 in Fig. 1 ständig ihre Lage, so dass nacheinander immer neue Kammern gefüllt, entzündet und entleert werden und die Strömung des Brenn stoffes nie zum Stillstand gelangt.
Obschon der Mischungsstrom des Stra.hl- kompressors 17 Verbrennungsgase enthält, findet keine Störung einer raschen Verbren nung statt. Vielmehr beschleunigen die Ver brennungsgase die Verbrennung und ersetzen den benötigten Luftüberschuss, vorausgesetzt, dass keine Schmieröldämpfe anwesend sind, welche als Schutzkolloide die Verbrennung hindern. Es ist auch bekannt, dass die An wesenheit von chemisch unbeteiligten Kör pern, wie die Verbrennungsgasse es sind, die Höchstarbeit praktisch nicht beeinflusst, wenn diese Körper nicht im dissoziierten Zustande das System verlassen, da sich dann ihre En tropie nicht ändert.
Versuche haben im ferneren ergeben, dass ein Strahlkompressor, bei dem die Geschwin digkeit des Mischgasstromes in kleinen Inter- vallen durch Alassenstoss jeweils in Druck umgesetzt wird und bei -dem ein Teil der Wärme des Treibgasstrahles später, zum Bei spiel in einem Turbinenrad, wieder in nutz bare Arbeit umgesetzt werden kann, wie dies bei den beschriebenen Beispielen ge schieht:, sehr ökonomisch arbeitet.
Im ferneren ist zu beachten, dass die Kompression im pri mären Teil des Systems stattfindet und somit der Wirkungsgradkoeffizient des Kompres- sors nicht mehr mit dem Koeffizienten des schlechten Wirkungsgrades, zum Beispiel einer Curtisturbine, multipliziert werden muss, was der Fall wäre, wenn die Frisch luft durch einen mit der Turbine gekuppelten Kompressor verdichtet würde.
Die sämtlichen Organe des Verbrennungs- Izammeraggregates sind gewöhnlich von einem Mantel 12 umgeben; die entstehenden Hohlräume sind von einer Kühlflüssigkeit ausgefüllt.
Zwecks Verbesseiaing -des thermischen Wirkungsgrade: kann die Innentemperatur der Wandungen der Verbrennungskammern auf der Entzündungstemperatur des Treib mittels gehalten werden. Dadurch wird die durch das Kühlmittel abgeführte Wärme menge verringert und die Verbrennung des Treibmittels vollständig, da die Temperatur des brennenden Gemhches selbst in der Nähe der Wandungen nicht mehr unter der Ent zündungstemperatur des Treihmittels ist.
Die Verbesserung des thermischen Wir kungsgrades tritt bei mit Erdölen betriebenen Verbrennungskammernaggregaten schon bei einer Temperatur der Wandungen von -150 bis 500 C ein, da die Entzündungstem peratur von Erdölen hier schon erreicht ist. Werden sehr wärmebeständige Materialien als Baustoffe angewendet, so kann die Tem peratur auch über 500 C gehalten werden.
Eine hohe Temperatur an der Innenseite der Kammerwandungen kann zum Beispiel bei Wasserkühlung dadurch erreicht werden, dass die Wände der Verbrennungskammern aussen nicht mehr überall von Wasser um spült werden, sondern nur noch Partien da- von, in mehr oder weniger regelmässiger Ver teilung, so dass durch Verringerung der wärmeabführenden Oberfläche die Innen temperatur der Wandungen zum Beispiel auf der Höhe von 450 bis 500 C gehalten wird.
Die höhere Temperatur der Kammer wände kann auch dadurch erreicht werden, dass das Kühlwasser unter entsprechendem Druck auf höherer Temperatur gehalten wird oder da,ss mit Dampf gekühlt wird; bei Luft kühlung kann die Kühlrippenoberflä,che ent sprechend verringert werden.
Als Kühlmittel können auch geschmol zene Salze an-ewandt werden. Besonders eignen sich Mischungen von Fluoriden, Ei sulfaten und Chloriden; -da sich ihr Schmelz punkt bei zirka 300 C befindet und sie bei 400 C dünnflüssig genug sind, um durch Temperaturunterschiede in Strömung zu ge raten, so dass ein Wäxmeausgleich gewähr leistet wird, und da. sie sich bis 1000 C nicht zersetzen und Eisen nicht angreifen.
Dünnwandige Teile, wie zum Beispiel Düsen, Umleitschaufeln etc., können eben falls mit den geschmolzenen Salzen in Be rührung gebracht werden, um sie auf diese Weise vor dem Ausglühen oder Schmelzen zu bewahren.
Die Strömungsenergie des aus der Haupt düse abfliessenden Gasstrahles kann in Tur.. binen, Kolbenmotoren etc. in mechanische Arbeit oder in Propulsatören direkt in Schub umgesetzt werden, wodurch Fahrzeuge ohne mechanisch bewegte Teile ihren Antrieb erhalten.
Es ist selbstverständlich, dass das Ver- brennungskammernaggregat auch andere Ausführungsformen, wie hier beschrieben, haben kann. So wäre es beispielsweise mög lich, die in den Strahllenker 10 zu leitende Verbrennungsluft nicht durch einen Strahl kompressor, sondern durch einen maschinellen Kompressor zu verdichten. Auch könnte die Kombination des Strahllenkers 10 und des Strahlkompressors 17 beibehalten, das An saugvolumen des Strahlkompressors jedoch zum Beispiel durch einen Rotationskompres sor oder Kreiselverdichter vergrössert werden, was bei Flugzeugen Anwendung finden könnte.
Die Zuführung des Brennstoffes liesse sich auch durch eine Pumpe bewerkstelligen und dessen Verteilung durch Ventile und Dreh schieber.