Wärmekraftmaschine. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, die zum Beispiel zur Gattung der mit hin- und hergehenden Kol ben arbeitenden Maschinen oder zur Gattung der Turbinen gehören kann.
Unter dem Ausdruck "Wärmekraft maschine" ist vorliegend eine Maschine zur Umwandlung von Wärme in Arbeit verstan den, einschliesslich aller notwendiger Appa ratur, wie zum Beispiel Verdichter, Regene- ratoren, Kessel, Brenner, Feuerungen usw., wie auch der eigentlichen arbeitenden Be standteile, wie Zylinder, Kolben, Rotoren, Statoren usw. Dampf, Luft oder Verbren nungsprodukte können das Arbeitsmittel sein.
Wärmekraftmaschinen im Sinne vorliegender Erfindung lassen sich in mancherlei bau lichen Formen, so zum Beispiel als Dampf maschinen mit Kesseln, Ü'berhitzern, Wieder überhitzern, oder als Maschinen mit innerer Verbrennung oder zum Beispiel auch als Turbinen ausführen.
Der Zweck der Erfindung besteht darin, die treibende Kraft mit weniger Brennstoff verbrauch zu erzeugen als wie bisher, das heisst die Umwandlung von Wärme in Arbeit unter höheren Wirkungsgraden herbeizufüh ren, als bisher möglich war.
In der vorliegenden Beschreibung um fassen die Ausdrücke "Rotgluthitze" und "rotglühend" Temperaturen von etwa 600'-C an aufwärts.
Die Erfindung lässt sich auf Maschinen mit verschiedenen Arbeitszyklen anwenden. Solche Arbeitszyklen umfassen sowohl die bekannten, als auch neue Arbeitszyklen.
Seit der Bekanntgabe von Carnots Grund satz, das der höchste theoretisch erreichbare thermische Wirkungsgrad in einer vollkom menen Maschine gleich sei dem Quotienten aus der Differenz zwischen der Maximal und der Minimaltemperatur des Arbeits zyklus durch dessen maximale absolute Tem peratur, war es das Ziel mancher Erfinder, Maschinen mit erhöhtem thermischem Wir kungsgrad dadurch zu schaffen, dass sie für die maximale Temperatur einen hohen @Tert einsetzten. .
Bei der gegenwärtig in Gebrauch befind lichen Verbennungskraftmaschine. nament- lieh bei derjenigen, in welcher die Verbren nung nominell ,>bei konstantem Volumen" stattfindet, wird ein sehr hoher Wert der Höchsttemperatur des Arbeitsmittels (die ge wöhnlich die des Schmelzpunktes des für die Zylinder gebrauchten Materials übersteigt) erreicht. Daher kühlt man die Zylinder äusser lich durch einen Kreislauf von Wasser oder Luft, oder innerlich, zum Beispiel durch Ein spritzung von Wasser oder Luft, so dass deren Innenfläche auf einer verhältnismässig niederen Temperatur gehalten werden kann, indem die Arbeitstemperatur des Hauptteils des Zylinders ungefähr<B>300'</B> C nicht über steigt.
Die durch Leitung und Ausstrahlung vom Arbeitsmittel an die Zylinder verlorene und durch das die Zylinder kühlende Medium abgeleitete Wärme steigt gewöhnlich auf ?5 bis 40 % der gesamten durch den Brenn stoff gelieferten Wärme an, abgesehen von @Ärärmeverlusten im Auspuff.
Im Laufe der Zeit wurden zahlreiche Vor schläge gemacht für die Konstruktion einer Wärmekraftmaschine mit Regeneration unter Anwendung eines hohen Betrages für die Höchsttemperatur ihres Arbeitszyklus und ohne Kühlmittel für den Zylinder oder den Arbeitskessel, in dem der eigentliche Arbeits teil des Zyklus sich abspielt.
Ausserdem wurden Heissluftmaschinen mit Zylindern aus gewöhnlichem Material her gestellt, welche auf ihrer Aussenseite auf Rotgluttemperatur gehalten werden. Aber bei solchen Maschinen nähert sich weder die Temperatur an der Innenseite der Zylin derwände, noch die durch das Arbeitsmittel erreichte Höchsttemperatur jemals derjenigen einer Rotglut unter dauerhaften Arbeits zuständen. Das Arbeitsmittel übt in Wirk lichkeit auf die Innenflächen des Zylinders eine Kühlwirkung aus.
Erreicht das Arbeitsmittel eine Rotglut temperatur, und wird auch versucht, den Zy linder auf Rotglut zu erhalten, so versagen die gewöhnlichen Materialien, wie Gusseisen, ,Stahl, Kupfer, wie sie bisher gebraucht wur den, vollständig. Sie besitzen bei hoher Tem- peratur nicht genüsend Stärke und werden durch das heisse Arbeitsmittel angegriffen.
Es wurde schon vorgeschlagen, den Zy linder oder Erhitzer einer Heissluftmaschine oder einer Maschine mit innerer Verbrennung, die bei Rotglut arbeiten soll, aus einer Zu sammenstellung einer Lamellierung aus Stahl, Eisen oder Kupfer und . einer solchen aus Nickel oder Platin anzufertigen, wobei diese letztere Lamellierung dem heissen Arbeits mittel ausgesetzt würde und die andern vor dem Angegtiffenwerden schützte.
Solche Vorschläge sind aber unausführbar, indem die Zusammenstellung bei diesen hohen Tem peraturen keine genügende Festigkeit besitzt. Ausserdem würden bei Maschinen mit innerer Verbrennung Nickel und Platin durch Koh lenoxydgas bei Rotgluttemperaturen rasch angegriffen.
Der gegenwärtige Stand der Technik kann dahin beschrieben werden, dass, obschon zahlreiche Erfinder von Zeit zu Zeit Vor schläge für Regeneratoren benutzende Ma schinen mit innerer Verbrennung gemacht haben, bisher keine solche, einen hohen Brennstoffwirkungsgrad ergebende Maschine gebaut wurde, die unter den gewöhnlichen gewerblichen Arbeitsverhältnissen befriedi gend zu laufen vermag. Die Maschine mit innerer Verbrennung, der Gegenstand zahl reicher Vorschläge, besteht als praktisch ar beitende Maschine noch nicht.
Der Urheber vorliegender Erfindung hat. nun erkannt, wie eine Rotglutmasehine ar beitsfähig gemacht werden kann, und hat Mittel gefunden, durch die eine solche Ma schine sich so bauen lä.sst, dass sie befriedigend läuft, mit einer bisher in der Praxis noch nie verwimkliehten Wirtschaftlichkeit des Brennstoffverbrauches.
Gemäss vorliegender Erfindung wird Vor sorge getroffen, dass das Arbeitsmittel min destens Rotgluttemperatur, das heisst min destens etwa 600 C, erreicht, und werden die mit diesem Arbeitsmittel in Berührung kommenden Teile aus feuerfesten Materialien gebaut, die gegen chemische Angriffe sei tens des heissen Arbeitsmittels widerstands- fähig sind und genügende Festigkeit besit zen, um Spannungen zu widerstehen. Diese Teile werden während des Betriebes der Ma schine auf Rotglut erhalten.
In den Fällen, wo ein Regenerator ver wendet wird, kann man diesen zweckmässig mit grossen, Wärme absorbierenden und aus strahlenden Flächen, aber kleinem, innerem Fassungsvermögen für das Betriebsmittel ausstatten und diesen Flächen entlang ab wechselnd heisses Betriebsmittel unter ver hältnismässig niederem oder Auspuff-Druck und kaltes Betriebsmittel unter einem höheren oder Einlassdruck leiten.
Zum Betrieb einer Maschine gemäss der Erfindung lässt sich irgendwelcher einem theoretisch vollkommenen Zyklus sieh nähern der thermodynamischer. Zyklus von Arbeits vorgängen anwenden. Die Höchsttemperatur des positiven Arbeitsteils des Zyklus wird so hoch als praktisch möglich gewählt, in allen Fällen etwa<B>600'</B> C oder höher,- bei einer Maschine mit innerer Verbrennung zweckmässig zum mindesten so hoch, dass die Zündung und Verbrennung des Brennstoffes beim Einspritzen in die erhitzte verdichtete Luft gesichert ist.
Ein besonders hoher Wirkungsgrad wird erreicht bei Anwendung der Erfindung auf Maschinen, die mit Zyklen arbeiten, welche durch folgende Merkmale gekennzeichnet sind: a) praktisch isothermische Verdichtung des Arbeitsmittels bei Mindesttemperatur des Zyklus von seinem Zustande des 'Höchst volumens zu dem des geringsten Volumens;
b) regeneratives Erhitzen des Betriebsstoffes nach dieser isothermischen Verdichtung durch Hitze, die dem Betriebsmittel während einer Periode entnommen wird, bei. der es seinen niedersten oder nahezu seinen niedersten Druck, beziehungsweise seinen Auspuffdruck erreicht hat, und c) praktisch isothermische Expansion des Betriebsstoffes bei der Höchst temperatur des Zyklus, begleitet von der Zu fuhr von Brennstoffhitze.
Bei Maschinen nach vorliegender Erfin dung können vorteilhafterweise folgende bauliche Einrichtungen ausgeführt werden: 1. Ein Umsteuer-Regenerator, innerhalb des Zylinders so angeordnet, dass sich ein klei ner schädlicher Raum ergibt.
2. Ein unabhängiges Regenerator-System mit heissen Ventilen am einen und kalten Ven tilen am andern Ende.
B. Ein Gegenstrom-Regenerator-System, mit einem Ende rotglühend, mit dem andern Ende verhältnismässig kühl.
4. Unabhängige Mittel zum Verdichten eines Betriebsmittels und zum Zuführen von Brennstoffhitze zu ihm.
5. Bezüglich der Betriebsmittelströmung hintereinandergeschaltete Zylinder; die Brenn stoffhitze wird dem Betriebsmittel an zwei oder mehr Zylindern stufenweise zugeführt.
6. Im Falle einer Turbine: Organe zum Einspritzen von Brennstoff nach der Regene ration und auf einer Anzahl von Expansions stufen des Betriebsmittels, wodurch die Tem peratur des letzteren während dieser Stufen so nahe als möglich auf einem vorbestimmten Höchstbetrag gehalten wird.
7. Mehrstufen-Verdichter mit Kühlvor richtung für die Zwischenstufen, und Rege nerator für das Betriebsmittel.
B. Im Falle von Turbinen: Mittel zum Zuführen von Brennstoffhitze durch den Sta- tor zum Betriebsmittel an einer Anzahl von Stellen der Stromrichtung entlang.
9. Ein Hochdruckteil mit hin- und her gehendem Kolben in Reihe mit einem als Turbine ausgebildeten Niederdruckteil.
10. Ein Satz von umsteuerbaren Rege neratoren für die Übertragung von Wärme vom Niederdruck-Heiss-Auspuffmittel zum Hochdruckmittel, selbsttätige oder mechanisch betätigte Umsteuerventile am Rotglutende der Regeneratoren und mechanisch betätigte Umsteuerventile am kühleren Ende der Re generatoren.
11. Zylinder und Kolben. jeder mit einem aus feuerfester und chemisch widerstands fähiger Legierung bestehenden und einer vom heissen Betriebsmittel herkommenden Rot gluthitze ausgesetzten Teil, während ihre übrigen Teile, die bei gewöhnlichen Tempe-. Taturen arbeiten, aus den für solche Zwecke üblichen Materialien bestehen, mit oder ohne besondere Kühlmittel. Zwischen diesen küh leren Teilen von Zylinder und Kolben sind in wechselseitiger Berührung Dichtungsmittel gegen den Druck des Betriebsmittels vor gesehen.
12. Aus feuerfester und chemisch wider standsfähiger Legierung bestehende Zylinder und Kolben, aber ohne gegeliseiti!-e Berüh rung am einen, der vom heissen Betriebsmittel erzeugten Rotgluthitze ausgesetzten Ende, und in passender Berührung mit Packungs- mitte-ln am andern Ende, das infolge des ge ringen M'ärmeleitungsvermögens der genann ten Legierung auf einer verhältnism-issig nie deren Temperatur steht.
Die bei Rotglut arbeitenden Teile der Maschine können zum Beispiel angefertigt werden a) aus einem Metall, das bei der Ar beitstemperatur die nötige Starke und Steif heit besitzt, jedoch dem Angriff des heissen Betriebsmittels nicht zu widerstehen vermag, sondern dagegen durch einen unangreifbaren Metallüberzug geschützt ist, oder b) aus einer feuerfesten Legierung, welche bei der Ar beitstemperatur die nötige Stärke besitzt und deren Oberfläche Angriffen genannter Art widersteht.
Diese letztere Legierung oder der genannte Schutzüberzug kann solcher Art sein, dass, sofern sie durch das Betriebsmittel angegriffen werden, der so angegriffene Teil der Oberfläche einen Schutzüberzug bildet, der ein weiteres Angreifen unterhalb der Oberfläche verhindert und so eine dauernd w i 'derst andsfähi z# e Struktur eroibt. Z,
Das Ma- terial soll also entweder nicht angegriffen werden oder infolge des Angriffes eine Ober fläche bilden, die einem weiteren Angriff durch das Betriebsmittel bei hohen Tempe raturen vorbeugt.
Dem Erfindungszweck dienliche Metalle bezw. Legierungen können gefunden werden cc) unter feuerbeständigen Metallen oder Le gierungen. in denen ein oder mehrere Me talle der Chromgruppe enthalten sind; b ) unter feuerbeständigen Metallen oder Le gierungen, in denen ein oder mehrere Metalle der Chromgruppe mit einem Metall oder mit Metallen der Nickelgruppe verbunden sind; c) unter feuerbeständigen Metallen oder Le gierungen, in denen ein oder mehrere Me talle der Chromgruppe mit Bor, Aluminium, Silizium oder andern, eine ähnliche Wirkung ergebenden Substanzen verbunden sind; d) unter Metallen der Chromgruppe zusam men mit einem oder mehreren Metallen der Gruppen der seltenen Erden.
Es hat sich gezeigt, dass für die Zwecke der Erfindung Chrom das widerstands fähigste Metall ist und dass Nickelchrom und Kobaltchrom gut wiederstehen; ferner, dass Wolfram. legiert. finit einem Metall der Chrom- oder der Nickelgruppe, ein gutes Er gebnis liefert; und ferner. dass Bor, Silizium und Aluminium in kleinen Verhältnissen wertvolle Beigaben in Nickel-Chrom-Legie- rungen darstellen, indem sie die Gleich förmigkeit des Gusses verbessern und die Festigkeit und die Widerstandsfähigkeit ge gen Angriffe bei Rotgluttemperatur erhöhen.
Eine gute Legierung, die gegossen werden kann und auch sonst geeignet ist, besteht aus 62 % Nickel, 20 ö Chrom, 5 % Eisen. % ö Kohle, .1 % Silizium und 8'/2 % Aluminium. Es hat sich gezeigt, dass diese Legierung die passende Stärke besitzt und dem Angriffe seitens des heissen Arbeitsmittels bei einer Temperatur von 800 bis 900 C während mehrerer Wochen zu widerstehen vermag. Diese Legierung ist völlig unschmiedbar und lässt sich maschinell nicht wie Eisen be arbeiten.
Es sind deshalb besondere DTass- nahmen erforderlich, um eine arbeitsfähige Konstruktion zu schaffen. Die Legierung kann sehr angenähert auf Grösse gegossen werden und wird dann zweckmässig durch Schleifen fertig bearbeitet. Sie lässt sich mit sehr gutem Erfolge schweissen. Löcher müs sen beim Giessen ausgespart oder in Pfrop fen aus maschinell bearbeitungsfälliger Le gierung angebracht werden, die man an den Guss anschweisst. Das Material kann durch eine schnellaufende Metallscheibe oder eine feine 'Schmirgelscheibe geschliffen werden.
Es hat sich gezeigt, dass mehrere, wenn nicht die meisten der Legierungen mit guten Widerstandseigenschaften praktisch für che mischen Angriff unzugänglich gemacht wer den können, wenn die dem heissen Betriebs mittel ausgesetzten Flächen geschliffen und poliert werden: Solche Flächen blieben bei einer Versuchsmaschine nach manchen Wo chen Betrieb noch glänzend und poliert. .
Wolfram, Nickelkobalt und? deren ein fache Eisenlegierungen werden durch das auf Rotgluttemperatur befindliche Betriebsmittel angegriffen. Wolfram ist bei Rotglut sehr stark; viel Eisen enthaltende Legierungen sind bei Rotglut verhältnismässig schwach. Einige der seltenen Erdmetalle, wie zum Bei spiel Zirkon, bilden ebenfalls wertvolle Bei gaben bei der Herstellung von .Legierungen.
Es hat sich zum Beispiel gezeigt, dass einige der oben erwähnten Legierungen, welche einen kleinen Prozentsatz von Bor, Silizium oder Zirkon enthalten, nachdem sie zunächst dem heissen Brennstoff ausgesetzt waren, nachher mit einer dünnen Oberflächenhaut überzogen werden, welcher Überzug irgend welchen Angriff der unter der Oberfläche liegenden Legierung vorbeugt.
Auf den Zeichnungen sind mehrere Aus führungsbeispiele des Erfindungsgegenstan des dargestellt.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel in Form einer Rotglutturbine mit einem mehr stufigen Luftverdichter A mit Zwischenstufe und Wasserkühlmantel, mit einem Paar von umsteuerbaren Regeneratoren R, einem mehr stufigen Brennstoffgasverdichter F und Mit teln, um in eine Anzahl von Expansions stufen der Turbine Brennstoff einzuspritzen;
Fig. 2 veranschaulicht schematisch ein zweites Beispiel in Form einer Rotglut kolbenmaschine mit drei hintereinander geschalteten Zylindern, mit dreistufigem, mit hin- und herlaufenden Kolben versehenem Luftverdichter A mit Zwischenstufe und Kühlwassermantel, einem Paar getrennter, umsteuerbarer Regeneratoren R, einem drei stufigen Brennstoffgasverdichter F und Brennstoffeinspritzern für jeden Zylinder;
Fig. 3 zeigt unter Angabe von mehr bau lichen Einzelheiten eine einzylindrige Rot- gut-Kolbenmasch.ine mit einem im Kolben kopf angebrachten Regenerator R, einem Kompound-Luftverdichter mit Zwischenstufe und Kühlwassermantel, mit einem zwei stufigen Brennstoffgasverdichter und Mitteln zum Einspritzen von Brennstoff in den Zy linder;
Fig. 4 stellt einen unmittelbar unter dem Regenerator durch den Rotglutzylinder ge legten Schnitt der in Fig. 3 veranschaulich ten Maschine dar; Fig. 5 zeigt mehr schematisch eine ge genüber Fig. 3 abgeänderte Form von Zy linder und Kolben;
Fig. 6 ist ein Schnitt durch den im Zy linderkopf untergebrachten, auch in Fig. 3 dargestellten Regenerator; Fig. 7 ist ein Grundriss dieses Regene- rators; Fig: 8 zeigt eine Einzelheit davon;
Fig. 9 zeigt eine andere Ausführungs form eines im Zylinderkopf angebrachten Regenerators; Die Fig. 10 bis 12 betreffen einen Gegen strom-Regenerator, Fig. 10 ist ein Längs schnitt, Fig. 11 ein Querschnitt, und Fig. 12 eine Endansicht von innern Regenerator- Elementen;
Fig. 13 betrifft eine zugehörige Einzel heit. o .In Fig. 1 bedeutet C das Gehäuse einer Agialturbine mit Kränzen von feststehenden Schaufeln 2. Die Turbine könnte auch als Radialturbine mit feststehenden Leitschau- feln oder gegenläufigen Schaufelkränzen, so wie als kombinierte Radial-Achsialturbine ausgebildet sein. D ist der Rotor mit Krän zen von Schaufeln 3, und 4 ist der Einlass für heisse, verdichtete Luft. Die Auspuff gase verlassen die Turbine bei 5 und treten in die Leitung 14 ein.
Der gasförmige Brenn stoff wird durch die verschiedenen Öffnun gen 6 in die Turbine eingespritzt und ver brennt, indem er sich mit der erhitzten Luft mischt, während er zwischen den Schaufeln des Stators und denen des Rotors durch strömt. Die genannten Teile arbeiten bei Rotglut und bestehen aus einer der oben er- wähnten. schwer schmelzbaren Legierungen.
1' ist der mehrstufige Brennstoffgasverdich- ter. Die Figur zeigt sechs Zylinder und sechs Brennstoffzuleitungen f1, f-, f', f , f', <I>f zur</I> Turbine; f1 leitet das unter höchstem Drucke, f das unter geringstem Drucke stehende Gas in die Turbine.
ist der als sechsstufig angenommene umlaufende Luftverdichter mit Kühlwasser- inantel und fünf Zwischenkühlern A1. Durch den Stutzen 8 wird Luft von atmosphärischem Druck und atmosphärischer Temperatur an gesogen, und die verdichtete Luft wird bei 9 in die zu den Regeneratoren führende Lei tung 10 getrieben. Die Zeichnung zeigt einen Regenerator mit zwei Regeneratorzylindern. die Ventile besitzen, welche derart betätigt werden, dass,
während die verdichtete Luft durch den einen der Regeneratorzylinder fliesst und von ihm Wärme aufnimmt. der heisse Turbinenauspuff durch den andern Regeneratorzylinder strömt und Wärme an ihn abgibt. Die Ausbildung eines solchen Regenerators ist auf Fig. 2 ersichtlich und unten näher erläutert.
Die heisse verdichtete Luft wird durch die Leitung 12 (Fig.1) vom Regenerator an dio Turbine übergeführt. Der heisse Auspuff der Turbine wird mittelst der Leitung 14 zum Regenerator geleitet und der gekühlteAuspuff verlässt denRegenerator durch das Rohr 15. Die Turbine und der umlaufende Luftverdichter sind als gleichachsig und di rekt gekuppelt dargestellt. Der Verdichter F für das Brenngas wird von der Tnrbinenwelle aus durch ein Reduziergetriebe 16 ange trieben.
Beispielsweise und nicht in beschränken dem Sinne sei erwähnt, dass die Luft, iso- fliermisch oder nahezu so, wie es sich gibt, bis auf 7 kg pro cm' verdichtet und die Temperatur der verdichteten Luft während des Durchganges durch den Regenerator bis auf etwa 650 gesteigert werden kann. Durch die Verbrennung der ersten Brenn stoffzufuhr am Einlassende 4 der Turbine kann die Temperatur des Gasgemisches auf beispielsweise etwa 700 C erhöht werden.
Die sich ausdehnende Mischung wird auf etwa. 650 abgekühlt und die Verbrennung der nächsten Brennstofflieferung erhöht ihre Temperatur wieder auf etwa 700 , usw.; die Temperatur des gasförmigen Gemenges wird, während dieses durch die Turbine .strömt, zwischen den genannten Grenzen ge halten.
Durch diese Anordnung der Brezni- stoffeinspritzung und deren Anpassung an das Volumen der zugeführten Luft lässt sich die Höchsttemperatur auf den höchsten Wert festsetzen, der sich mit der Stärke und den Widerstandseigenschaften der Metallegierung verträgt, aus welcher die mit der verbrennen den Gasmischung in Berührung kommenden Teile bestehen.
Die Entzündung des Brennstoffes in der Turbine wird nach dem Anlassen herbei geführt durch die Hitze der Luft, in welche jener eingespritzt wird.
Bei diesem Zyklus erfolgt die nutzbare Arbeitsleistung gänzlich bei oder so nahe als möglich bei der Höchsttemperatur, welche dank der Verwendung der oben beschriebenen Legierungen viel höher ist, als es bisher mög lich war. Die Wärmeabführung erfolgt bei der geringsten Temperatur des Zyklus. Der Regenerator entzieht dem Auspuff Wärme, nachdem alle praktisch verwertbare Druck energie des Arbeitsmediums in mechanische, für das Antreiben des Rotors verwandte Ar beit umgesetzt worden ist. Auf diese Weise wird die mit dem Auspuff ausgegebene. Wärme auf einen sehr kleinen Betrag ver mindert. Für Maschinen der beschriebenen Art lässt sich flüssiger Brennstoff verwen den.
Die Organe zum Zuführen des Brenn stoffes zu den Statoren können der Natur des Brennstoffes angepasst werden.
Der in Verbindung mit der Turbine ver wendete Regenerator (bei dem die ganze Um steuerperiode etwa 10 Sekunden betragen mag), besteht vorliegend aus zwei Zylindern. Jeder der Zylinder, die das Regenerier- material enthalten, ist.
so gebaut, dass er dem Höchstdruck des Arbeitsgases widerstehen bann. Die Zylinder sind an jedem Ende mit Ventilen 18, 19 versehen (Fig. 2), die paar weise so betätigt werden, dass durch den einen Zylinder Auspuffgase gehen, während durch den andern Zylinder in entgegengesetzter l', ichtung verdichtete Luft strömt. Diese Zylinderpaare werden beispielsweise nach etwa je fünf Sekunden umgesteuert, so dass die Arbeitsbedingungen in der Turbine so konstant wie möglich gehalten werden.
Natürlich lassen sich auch zwei, drei oder gier Zylinderpaare verwenden und der Reihe nach umsteuern, wodurch praktisch gleich mässige Temperatur und ebensolcher Druck erhalten wird. Das kalte Ende der Regene- ratorzylinder ist mit den gewöhnlichen Ven tilen 18 ausgestattet, welche mechanisch, das heissto durch ein Getriebe betätigt werden. Das heisse Ende der Regeneratorzylinder ist aus einer der oben angegebenen, besonders feuerbeständigen Legierungen hergestellt, ebenso die Ventile 19.
Diese Ventile können selbsttätig sein, das heisst durch den Strom betätigt werden, der durch die am kalten Ende befindlichen, mechanisch betätigten Ventile geregelt wird. Die Regeneratorzylin- der sind verkleidet, um Wärme zurückzu lialten, und nur Deckel, Lager und Supports m erden gekühlt.
Bei Maschinen mit hin- und hergehendem Kolben wird die Luft zweckmässig in einem mehrstufigen Kolbenverdichter verdichtet; und zwar mit einer so vollständigen Küh lung und Zwischenkühlung, als in jedem Falle angängig ist. Vorzugsweise werden Drucke zwischen "( kg und 10 kg pro cm\ angewendet.
Bei der durch Fig. 3 dargestellten ein zylindrigen Ausführungsform einer solchen Maschine wird die kalte, verdichtete Luft durch einen am Zylinderende angebrachten Regenerator R in den Arbeitszylinder C, C1 der Maschine geleitet und hier auf etwa <B>700'</B> C erhitzt. Der Brennstoff, in Form eines Strahls von zerstäubtem 01 oder von verdichtetem Gas, wird durch das Rohr f1 plötzlich eingespritzt und verbrennt in der heissen Luft zwischen dem Regenerator und dem Arbeitskolben, was die Temperatur auf etwa 1200 bis<B>1500'</B> C erhöht.
Der Druck steigt. so auf einen Ilöchstbetrag. Die Ver brennungsprodukte dehnen sich aus und ar beiten; - ihr Druck fällt auf einen passenden Betrag über dem atmosphärischen Druck und ihre Temperatur auf ungefähr 800 C. Hier auf werden sie durch den Regenerator hin durch zurückgestossen, dem sie alle ihro nutz-. bare Wärme abgeben, und treten praktisch kalt durch das Auspuffventil aus. Es ist zu beachten, dass beide Ventile in der Zylinder wandung sich mit kühlem Arbeitsgas in Be rührung befinden.
Bei .einer abgeänderten Ausführungsform ist der Regenerator vom Zylinder getrennt und sind besondere Ventile und Ventil getriebe vorgesehen für die Regelung des Stromes zu und von dem Regenerator, wie in Fig. 2 angegeben. In diesem Falle sind die Hälfte der Regene-ratorvexitile und auch die Maschinenventile Heissventile.
Die durch Fig. 2 schematisch (besonders hinsichtlich der Ventile) veranschaulichte, dreizylindrige Maschine mit hin- und her laufenden Kolben ist ähnlich derjenigen nach Fig, 1, und übereinstimmende Teile sind in beiden Figuren mit gleichen -GberweisuDgs- zeichen versehen. Zwischen den Zylindern sind, wie bei Maschinen dieser Art üblich, Aufnehmer P eingesetzt. Die zwei Hub scheiben 21, welche die am kalten Ende des Regenerators befindlichen Ventile betätigen.
können auf der nämlichen Welle sitzen, wel che durch geeignete Getriebe intermittierend angetrieben wird, zweckmässigerweise von der Maschinenwelle aus, derart, dass die Hub scheiben die vier Ventile 18 gleichzeitig um steuern.
In Fig. 3 ist der Zylinder zweiteilig dar gestellt. Der eine Teil, C, der dem heiss ar beitenden Arbeitsfluidum ausgesetzt und da durch rotglühend gemacht wird, besteht aus einer der oben beschriebenen, widerstands fähigen Legierungen. Der andere Teil, C1, der dem Arbeitsfluidum nicht unmittelbar ausgesetzt ist, besteht mit dem aus gewöhn lichem Material angefertigten Gussgehäuse <B>C</B> aus einem Stück.
Das Gussgehäuse C2 um schliesst den Rotglutteil C unter Bildung eines Luftmantels 23 und enthält einen Kühlwassermantel 24, vermittelst dessen die vom Kolbenteile Dl durchlaufene Zylinder fläche und die Packungsringe 25 kühlgehal ten werden, so dass sie wirksam geschmiert werden können. Der Kolben ist ebenfalls zweiteilig. Sein Rotglutteil D besteht aus einer widerstandsfähigen Legierung, der kühlere Teil D1 aus gewöhnlichem Metall. Die beiden Teile sind durch geeignete Mittel aneinander befestigt.
Der Rotglutteil D hat etwas radiales Spiel, so dass er die Wände des Heisszylinderteils C nicht berührt.
Es sei hier bemerkt, dass, während bei kleinen Maschinen der Zylinder und die Sta- toren verkleidet werden mögen, um Wärme verluste durch Ausstrahlung zu verhindern, bei grossen Maschinen eine Verkleidung ent behrt werden kann, weil hier die äussern Flächen von Teilen, die sich in Berührung mit dem heissen Arbeitsmittel befinden, sich vorteilhaft kühlen lassen, zum Beispiel ver mittelst eines Luftstromes. Eine solche Kiih- lung erlaubt die Anwendung noch viel hö herer Temperaturen für das heisse Arbeits mittel, während gleichzeitig Gewähr dafür geboten ist, dass die höchste Temperatur die ser Teile sich innert den Grenzen hält, bei denen das feuerfeste Material widerstehen kann.
Fig. 5 stellt schematisch eine etwas an- dero Ausführungsform von Zylinder und Kolben dar. Jeder von diesen Teilen besteht aus einem Gussstück aus feuerbesEindiger Le gierung. Wegen des grossen Widerstandes, den die feuerbeständige Legierung der Wärmeleitung bietet, können die obern, mit dem bei Rotglut wirkenden Arbeitsfluidum in Berührung kommenden Teile rotglühend sein, während die untern, in Reibungs berührung befindlichen Teile verhältnismässig kühl sind und wirksam geschmiert werden können.
Der Zylinderdeckel 27 (Fig. 3) enthält einen Sitz für das hohle zylindrische Einlass- ventil 28 mit hohler Spindel 29. Das Aus puffventil 32 sitzt auf - diesem Einlassventil. Die Ventile werden durch Hubscheiben 33, 34 betätigt, die durch die Welle 36 angetrie ben werden und von denen die zwei Schei ben 33 für den Einlass dienen. Federn 37 und 38 besorgen das Schliessen des Einlass- und des Auspuffventils. Die Steuerwelle 36 wird von der Hauptkurbelwelle 40 der Ma schine aus angetrieben vermittelst der ver tikalen Seitenwelle 41 und zwei Paaren von Schraubenrädern 42, 43.
Das Brennstoffein spritznadelventil 45 wird von der Seiten welle 41 aus durch die in Fig. 4 angedeute ten Organe angetrieben, und zwar vermittelst einer Hubscheibe 48, einer Klinke 49 und Steuerungshebeln (Fig. 4). Das Schliessen wird durch die Feder 50 bewirkt. Zum Ent zünden der Mischung beim Anlassen dient eine Zündkerze 51. Bei 52 ist eine Einrich tung für die Aufnahme eines Indikators vor handen.
Der Zweistufenverdichter A wird un mittelbar von der Hauptkurbelwelle 40 aus angetrieben. Der Zwischenkühler Al, die Kühlwassermäntel A" und andere Teile sind durch Fig. 3 in allen Einzelheiten dargestellt und bedürfen daher keiner besonderen Be schreibung.
Die für den Gebrauch mit Motoren der obengenannten Typen bestimmten Regenera- toren, seien es im Zylinderende angebrachte, wio bei dem Typ mit hin- und herlaufendem Kolben, oder solche für den Turbinentyp, haben die Eigentümlichkeit, mit dem einen Ende unter hoher Temperatur, in Rotglut höhe, zu arbeiten, während sich das andere Ende auf einer verhältnismässig niederen Temperatur befindet.
Die im Zylinderkopf angeordneten werden vollständig aus einem der oben beschriebenen, ausgewählten MetallL oder Legierungen hergestellt. Regeneratoren, welche im Zylinderkopf von Motoren mit hin- und herlaufendem Kolben benutzt werden, erhalten zweckmässig einen kleinen -innern Fassungsraum, so dass der gesamteschäd liche Raum des Zylinders weniger als 10 5o des Hubvolumens beträgt.
Die Regeneratoren R (Fig. 1, 2 und 3) werden in rasch auf - einanderfolgenden Zwischenräumen umge.- steuert, um den höchsten Wärmeaustausch aus einem gegebenen Gewicht von dünnem oder feinem, feuerbeständigem Material zu erhalten.
Die zur Verwendung kommenden Rege neratoren R, die im Vergleich zu bisheriger Cxepflogenhe-it in sehr kurzen Zwischen räumen umgesteuert werden, stellen eine neue Vorrichtung dar. Der am raschesten wirkende Regenerator ist erforderlich am Zylinderende der kleinen Maschine nach Fig. 3, die 1500 Umdrehungen in der Minute machen möge, wodurch der Regenerator 3000 mal in der Minuto umgesteuert wird. Fr wird am besten hergestellt aus sehr dünnen Streifen oder Drähten aus feuerbeständiger Legierung mit zwischenliegenden feinen Kanälen für das Arbeitsmittel.
Am wenigsten häufig um zusteuern sind Regeneratoren, wie der Tur- binenregenerator oder der besondere Regene- rator für die Maschine mit hin- und her laufenden Kolben nach Fig. 2. Diese sind einander gleich und können zum Beispiel dreimal in der Minute umsteuern. Ihr ak tives Material kann aus dickeren Metallplat ten oder aus feuerbeständigem, nicht metal lischem Stoffe bestehen, der in Platten ge gossen ist. Man kann aber selbst feuer beständiges Bruchmaterial verwenden.
In dem Falle, wo höchste Periodenzahlen vorkommen, sollte das R.egeneratormaterial praktisch un- porös sein; bei geringeren Periodenzahlen kann ein kleiner Grad von Porösität vorhan den sein, ohne dass zu grosso Verluste ent stehen. In allen Fällen sollte der Luftraum innerhalb der Regeneratoren auf ein Min destmass reduziert werden im Verhältnis zur blossliegenden Oberfläche.
Die Oberflächen und die Umsteuergeschwindigkeit sollten in allen Fällen genügend gross gewählt sein, um die Temperatur der Auspuffgase bis auf einige Grade über diejenige der einströmen den Gase zu vermindern, um so eine gute R.egeneratorausnützung zu erhalten, was wichtig ist für die Wirtschaftlichkeit des ganzen Zyklus, indem ein grosser Prozentsatz der Gesamtwärme durch den Regenerator zu rückgewonnen werden kann.
Während das Gehäuse der Regeneratoren FL gemäss Fig. 1 und 2 aus starkem, gegen hohe Temperaturen widerstandsfähigem Ma- terial beschriebener Art besteht, benötigen die wärmeaufspeichernden Teile innerhalb des Gehäuses keine grosse Festigkeit, obschon sie unangreifbar sein und eine grosse Auf nahmefähigkeit für Wärme besitzen sollen. Der wärmeaufspeichernde Teil des Regenera- tors kann aus dünnen Streifen feuerbestän digen Metalles bestehen.
Diese sollten in klei nen Abständen verteilt sein, um dazu bei tragen zu können, dass der Regenerator das geringste Volumen elastischen Fluidums er r.ält.
Der in den Fig. 6 bis 8 dargestellte. rin Innern eines Rotglutzylinders anzubrin gende Regenerator besitzt in geeigneten ge genseitigen Abständen angeordnete gerade Streifen 61, zwei Seitenplatten 62 und einen Reifen 63; der an letztere angeschweisst ist, so dass die Teile 61 und 62 durch ihn fest zusammengehalten werden und eine Scheibe bilden (Fig. 7).
Statt durch Reif und Schwei- ssung liessen sich die Teile 61 und 62 auch durch Drahtnieten zusammenhalten, die durch beide Seitenplatten 62 und alle Streifen 61 gesteckt und auf den Seitenplatten vernietet werden. Alle die genannten Teile fertigt man aus einer der ausgewählten widerstands fähigen, feuerfesten Legierungen an. Der Abstand zwischen den Streifen 61 wird da. durch erzielt, dass man an ihnen in passen den Abständen Augen auspresst in der Weise. dass die Augen des einen Streifens in ent sprechende Vertiefungen des benachbarten Streifens zu liegen kommen.
Die Krümmung dieser Augen ist so gewählt, däss sie den gewünschten Abstand der Streifen ergibt, wie dies durch Fig. 8 für die Augen von drei aufeinanderfolgenden Streifen dargestellt ist. Bei einem ausgefüliiten Regenerator. der einen Zapfen von etwa. 90 mm Durch messer bildete, betrug die Dicke der Streifen <B>0,125</B> mm und die Weite des Raumes zwi- sehen zwei Streifen 0,075 mm.
Die Breite der Streifen betrug 16,5 mm, 'die Oberfläche des Regenerators 9675 cm', Der in Fig. 9 dargestellte Regenerator besteht aus drei solchen Zapfen, deren Strei fen schmäler sind als die des in Fig. 6 ge zeigten Regenerators.
In dem Falle, wo ein vom Arbeitsraum getrennter Regenerator benutzt wird, kann dieser ein Gegenstromregenerator sein, be stehend aus sehr dünnen Platten aus feuer beständigem Material, die so angeordnet sind, dass sie in sehr kleinen Abständen gestützt werden, so dass sie den im Regenerator herrschenden Drücken auch dann standzu halten vermögen, wenn sie von geringster Dicke und mit dem kleinsten Aufwand an Material hergestellt sind. Bei einem solchen Gegenstromregenerator strömen das Hitze ab gebende und das Hitze empfangende Flui dum in entgegengesetzter Richtung durch die Hitzeübertragungselemente, welche die zwei Fluida. voneinander trennen.
Die Wärme ;ibertragung erfolgt durch Leitung von einer Oberfläche der Wärmeübertragangselemente zur andern. Der Durchfluss der beiden Fluida kann fortlaufend stattfinden, ohne 'Unter- bruch oder Umkehrung.
Bei dem durch die Fig. 10 bis 13 dar gestellten Gegenstrom-Regenerator ist für die hitzeaustauschenden Elemente eine zellen förmige Bauart verwendet. Ein dünnes Blatt 65 von passender Länge und Breite ist so um gebogen, dass es eine Anzahl paralleler Schlei fen bildet, die in einem Gehäuse von an nähernd prismatischer Gestalt eingeschlossen werden können. Die Falze 77 der abgebogenen Platte sind an den Enden schräg weggeschnit ten, so dass die geschnittenen Enden in vier schrägen Flächen 66 liegen. Die Ränder der Platte auf jeder der genannten Flächen sind so in einer Reihe von langen schmalen U an geordnet.
Die Ränder jedes der U sind mit einander verschweisst oder sonst passend mit einander verbunden, was durch die Linien 78 angedeutet sein soll. Längs dem äussern Um fange des durch das abgebogene Blatt 65 geschaffenen Zellengebildes ist ein Flansch 67 von der Form eines rechteckigen Rahmens mit den einander zugekehrten Enden der er- wähnten U, sowie mit den beiden äussern Längsseiten des Zellengebildes verschweisst. Der Flansch 67 ist zwischen die Flanschen der das äussere Gehäuse bildenden Teile 68 und 69 eingeklemmt. Für jeden der Gehäuse teile 68 und 69 ist ein abnehmbarer Deckel 70 vorgesehen. Am Gehäuseteil 68 ist 71 der Einlass für heisse und 72 der Auslass für kalte Auspuffgase.
Der Einlass für kalte Druckluft ist bei 73 und de-r Auslass für heisse Druckluft bei 74 am Gehäuseteil 69. Der Innenraum des Gehäuses 68, 69, 70 ist durch das Zellengebilde 65, 67 in zwei Teile 79 und 80 geteilt, die von den beiden Fluida in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden können. Diese Teile werden alle aus ausgewählter, widerstandsfähiger, feuerfester Legierung hergestellt.
Eine für das Blatt 65 geeignete Dicke ist die von 0,125 bis 0,250 mm und ein pas sender Zwischenraum zwischen den Wänden ,jeder Zelle ist ein solcher von 0,75 bis 1,27 mm. Nimmt man je den kleineren von diesen Werten, so ergibt sich für einen Regenerator mit den innern Abmessungen 200 X 75 X 38 mm eine Oberfläche von annähernd 6500 cm\ für die Wärmeleitung durch die Zellenwände von einem Fluidum zum andern.
Der Druckunterschied zwischen den bei den Fluiden kann gross sein, und es soll nach stehend beschrieben werden, wie ein solches dünnes, flaches Blatt gegen so hohen Flui- dumdruck widerstandsfähig gemacht werden kann. Es lässt sich dies auf verschiedene Ar ten bewerkstelligen. Man kann zum Beispiel Trennungsstäbe, die in geeigneten Abstän den durch dünne Stangen oder Drähte aus einandergehalten werden, je zwischen zwei Schleifen des Blattes 65 einsetzen, die sich unter dem Drucke des Fluidums zu nähern die Neigung haben. Oder man presst aus dem Blatte 65, bevor es in Schleifen gebogen wird', runde Augen aus.
Auch kann man im Blatte 65 zwei Gruppen von parallelen Rippen von solcher Richtung auspressen, dass, wenn das Blatt gefaltet wird, die Rippen der einen Gruppe die der andern kreuzen, wodurch in regelmässigen Abständen Anschlagpunkte ent stehen. Schliesslich kann man auch, statt Rippen aus dem Blatte auszupressen, an ihm eine Anzahl dünner Drähte von passendem Querschnitt anschweissen, was 'dasselbe Er gebnis zeitigt. Die Anschlagpunkte sind in Fig. 18 mit 76 bezeichnet.
Die oben angegebenen, widerstandsfähigen Legierungen, aus denen die bei Rotglut ar beitenden Teile angefertigt werden können, sind gegen Wärmeleitung viel widerstands fähiger als die gewöhnlich für Zylinder, Kol ben, Turbinengehäuse, Rotoren und Schau feln verwendeten Materialien. Bezüglich Wi derstand gegen Wärmeübertragung sind diese widerstandsfähigen Legierungen eher mit Backsteinen und dergleichen zu vergleichen als mit den gewöhnlichen Metallen und Le gierungen.
Wird als Arbeitsmittel Dampf verwendet, so verringern sich die durch Wärmeleitungs- vermögen der Materialien bedingten Wärme verluste im thermodynamischen Arbeits kreislauf auf sehr kleine Beträge. Die An wendung eines Kondensators empfiehlt sich dort, wo Kühlwasser zur Verfügung steht, damit die Minimaltemperatur des Kreis laufes so nieder wie möglich gehalten wer den kann.
Eine solche mit einem Gegenstrom-Re- generator versehene Maschine kann zum Bei spiel auf folgende Weise arbeiten: Der aus der Kolbenmaschine oder Turbine austretende Niederdruckdampf, der immer noch Rotglut temperatur besitzt, wird durch einen Gegen strom-Regenerator geleitet, wo er den gröss ten Teil seiner fühlbaren Wärme abgibt, worauf er zum Kondensator strömt, wo seine latente Wärme ausgeschieden wird.
Das Kon denswasser wird mittelst einer Pumpe durch den Gegenstrom-Regenerator getrieben, wo sich seine Temperatur erhöht und wo es bei dem vorbestimmten Druck in gesättigten oder leicht überhitzten Dampf übergeführt wird. Dieser Dampf fliesst dann durch einen mit- telst Brennstoffes geheizten Gegenstrom-Re- generator, welcher in der entgegengesetzten Richtung von den von der Verbrennung des Brennstoffes herrührenden heissen Gasen durchströmt wird.
Es können mehrere mit- telst Brennstoffes - erhitzte Gegenstrom-Re- generatoren als Stufen in der Expansion des Dampfes angeordnet werden, zum Beispiel an den Aufnehmern V der mehrzylindrigen Kolbenmaschine (Fig. 2) oder an den Punk ten f 2,<I>f',</I> f', f', f der Turbine (Fig. <B>1).</B> Auf diese Weise wirkt der vom Niederdruck abdampf durchströmte Gegenstrom-Regene- rator gleichsam als ein Dampfkessel,
wäh rend die den Dampf erhitzenden Gegenstrom Regeneratoren als Überhitzer wirken.
Die Hochdruckluft oder Hochdruckstufen in der Expansion des Rotglutdampfes kön nen durch einen einzigen Zylinder, bezie hungsweise durch eine Mehrzahl von hinter- einandergeschalteten Zylindern mit hin- und herlaufendem Kolben und die Niederdruck stufen der Expansion durch eine Turbine ge bildet werden.
In allen Fällen werden die Regeneratoren, die Turbinengehäuse, Schaufeln und Rotoren oder Zylinder und Kolben aus einem Material hergestellt, welches imstande ist, den Bean spruchungen standzuhalten, welche bei den hohen Temperaturen, unter welchen die ge nannten Teile arbeiten sollen, auftreten können. Diese Teile sind auch imstande, chemischen Angriffen durch die elastischen Fluida, das heisst durch die Verbrennungsgase bei diesen Temperaturen zu widerstehen, sei es, dass sie selbst gegen solche Fluida. unempfindlich sind oder dass sie unempfindliche Überzüge besitzen.
-Es ist zu' beachten, dass, wenn Brenn stoff oder Brennstoffhitze dem Arbeits fluidum in einer Anzahl von Stufen seiner Expansion zugeführt wird, dieser Teil der Expansion der isothermischen Expansion ge nähert werden kann. Bei umlaufenden, tur binenartigen Verbrennungsmaschinen kann die Annäherung an die isothermische Expan sion eine sehr grosse werden. Die Expansion auf den Auspuffdruck hinunter kann ohne weitere Zufuhr von Brennstoff oder Brenn stoffwärme stattfinden. Infolge des hohen Widerstandes der arbeitenden Teile gegen die Ableitung von "##@Tärnie nähert sich diese Ex pansion mehr der adiabatischen Expansion, als bisher verwirklicht wurde.
Die Kompres sion des Arbeitsfluidums bei niederer Tem peratur (Luftkompression in einem mehr stufigen Kompressor mit Wassermantel und Zwischenkühlern oder die Zufuhr von Zas ter in das Ilochdrucksystem von Kesseln und Röhren mittelst einer Speisepumpe.) kann an genähert isothermiseh erfolgen.
Der thermodynamisehe Arbeitszyklus der beschriebenen Ausführungsbeispiele der Wärmemaschine ist also folgender: a) Isothermische oder nahezu isothermi- sche Verdichtung des Arbeitsfluidums bei der Minimaltemperatur vom grössten auf das kleinste Volumen.
b) Regeneratives Erhitzen des Arbeits fluidums nach der genannten isothermischen Kompression, wodurch das Volumen des Fluidums erhöht wird mittelst Wärme, wel che letzterem bei Perioden bezw. 13üben des Zyklus entnommen wird, bei denen es sich auf seinem minimalen oder Auspuffdrucke befindet.
c) Erhitzen des Arbeitsfluidums durch Zufuhr von Brennstoffwärme entweder bei annähernd konstantem Volumen oder unter annähernd konstantem Druck, oder unter Än derung von Druck und Volumen.
d) Expansion des Arbeitsfluidums mit oder ohne weitere Zugabe von Brennstoffhitze bis auf eine solche Auspufftemperatur hin unter, als der Regenerator mit Sicherheit aus zuhalten vermag.
e) Regenerativer Übergang von Wärme vom heissen, unter Niederdruck befindlichem Fluidum zu dem unter Verdichtungsdruck stehenden Arbeitsfluidum, wie oben bei b) beschrieben.
f) Ausscheidung von Wärme nach aussen durch erneute Kühlung des Niederdruck- Arbeitsfluidums.