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Intermittierend arbeitender Gaserzeuger, insbesondere für Triebwerke
Die Erfindung bezieht sich auf einen intermittierend arbeitenden Gaserzeuger, insbesondere
für Triebwerke, bei welchem mehrere Verpuffungsbrennkammern um eine Achse herum
angeordnet sind, welche die Drehachse von Scheiben bildet, die die Einlaßöffnungen
der Brennkammern und vorzugsweise auch deren Auspufföffnungen abwechselnd öffnen
und schließen.
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Bei einem bekannten Gaserzeuger dieser Art sind zwischen den Brennkammern
rotierende Überführungskanäle für das gesteuerte Überströmen von verbranntem Gas
von je einer Brennkammer in eine andere vorgesehen, und diese rotierenden Überführungskanäle
arbeiten derart, daß eine Brennkammer, in welcher eine Verbrennung stattgefunden
hat und welche noch Restgase enthält, durch einen Überführungskanal von verhältnismäßig
kleinem Querschnitt mit einer anderen Brennkammer verbunden wird, die mit Frischluft
beschickt ist, so daß die in diese zweite Kammer überführten, noch einen etwas höheren
Druck besitzenden Restgase aus der ersten Kammer eine Vorkomprimierung der Frischluftbeschickung
der zweiten Kammer herbeiführen, bevor der Brennstoff in diese Brennkammer eingespritzt
wird. Da bei diesem bekannten Gaserzeuger die durch die rotierenden Überführungskanäle
hindurchgehenden Gase nur geringe Geschwindigkeit und mäßige Temperatur besitzen,
können sie keine selbsttätige Zündung der zweiten Brennkammer herbeiführen, und
daher ist in jeder Brennkammer eine besondere Zündvorrichtung vorgesehen.
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Zweck der Erfindung ist, einen intermittierend arbeitenden Gaserzeuger
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die Brennkammern selbsttätig
gezündet werden, so daß besondere Zündvorrichtungen nicht erforderlich sind.
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Gemäß der Erfindung ist die Ausbildung der Verpuffungsbrennkammern,
der umlaufenden Scheiben und der rotierenden Überführungskanäle für das gesteuerte
Überströmen von verbranntem Gas von je einer Brennkammer in eine andere derart,
daß bei Überströmbeginn die eine in der Periode der Verbrennung arbeitende Brennkammer
gerade ihr Druckmaximum erreicht hat und die andere Brennkammer mit zur Zündung
bereitem Gemisch gefüllt ist.
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Dadurch wird bei dem Gaserzeuger gemäß der Erfindung eine selbsttätige
Zündung einer gefüllten und abgeschlossenen Brennkammer erhalten, weil die aus einer
in der Periode der Verbrennung arbeitenden Brennkammer entnommenen Gase eine sehr
hohe Temperatur und gleichzeitig eine große Geschwindigkeit bei ihrer Einführung
in die zu zündende Brennkammer haben, so daß sie eine augenblickliche Zündung dieser
Kammer ohne Zuhilfenahme besonderer Zündvorrichtungen gewährleisten. Gemäß einem
Merkmal der Erfindung kann die eine oder die andere Scheibe oder beide Scheiben,
vorzugsweise die am Einlaß der Brennkammern angeordnete Scheibe, mit den Überführungskanälen
versehen sein.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können die Überführungskanäle
derart angeordnet sein, daß die durch sie hindurchströmenden Gase auf die Scheibe
eine Reaktion hervorrufen, welche die Drehung dieser Scheibe bewirkt. Für dieses
Merkmal wird Schutz nur in Verbindung mit der vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen
Ausbildung des Gaserzeugers beansprucht.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind den Ausstoßdüsen
der Brennkammern in an sich bekannter Weise trompetenförmige Rohre nachgeordnet,
die sich zwischen den aufeinanderfolgenden Gasstößen mit Luft füllen.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein axialer Längsschnitt durch ein Triebwerk mit mehreren
intermittierend arbeitenden Brennkammern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ist eine Endansicht dieses Triebwerkes, in Richtung des Pfeiles F von Fig.
1 gesehen; Fig. 3 ist ein Schnitt nach der Linie III-III von Fig. 2;
Fig.
4 gibt das in- . einem Gehäuse angeordnete Triebwerk in Verbindung- mit -trompetenförmigen
Verdünnungsrohren wieder; Fig. 5 ist ein axialer Halbschnitt durch eine abgeänderte
Ausführungsform der Erfindung; Fig.6 ist eine Endansicht der Ausführungsform gemäß
Fig. 5 gegen die Hinterseite der Brennkammern gesehen.
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Das in den Fig: 1 his 3 dargestellte Triebwerk umfaßt eine Anzahl
Brennkammern 1; die revolverartig um eine gemeinsame Achse X-X angeordnet sind.
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Diese Brennkammern 1 weisen eine Einlaßöffnung 2 ton sehr großem Nutzquerschnitt,
der gleich dem ,Querschnitt der Kammer 1 sein kann, und eine konvergent-divergent
oder konvergent-zylindrisch verlaufende Düse 3 auf, die derart ausgebildet ist,
daß sie die Entspannung der bei jeder Verpuffung erzeugten Gase, d. h. die Umwandlung
der Druckenergie dieser Gase- in kinetische Energie- gestattet, die, wie in -der
Zeichnung angenommen, unmittelbar zum Antrieb durch Rückstoß verwendbar ist oder
zum Antreiben einer Turbine usw. dienen kann.
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Längs der Achse X-X ist in geeigneten Lagern eine drehbare Welle 4
angeordnet, die zwei Scheiben 5 und 6 trägt:- --Die Scheibe 5 dreht 'sich in ihrer
Ebene vor den Einlaßöffnungen 2 der Brennkammern 1, und die Scheibe 6 dreht sich
ebenso hinter den Ausstoßöffnungen der Düsen 3.
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Die Scheiben 5 und 6- sind mit Ausschnitten versehen, wie in der _
Zeichnung wiedergegeben, oder weisen Durchgänge auf, so daß in einer Stellung dieser
Scheiben die Einlaß- und Auspufföffnungen eines Teiles der Kammern geöffnet und
die Einlaß-und Auspufföffnungen anderer Kammern geschlossen sind; dabei werden die
Öffnungen jeder Brennkammer im Laufe der Umdrehung der Scheiben abwechselnd geöffnet
und geschlossen.
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Bei den geöffneten Kammern kann somit der Ausstoß der Verbrennungsgase
durch die Düsen 3 sowie gleichzeitig der Zutritt der Frischluft durch die Einlaßöffnungen
2 unter dem Einfluß des Unterdruckes erfolgen, welchen die mit hoher Geschwindigkeit
in die Düsen 3 strömenden Gase hinter sich erzeugen, wobei die Düsen 3 zu diesem
Zweck eine geeignete Länge gemäß einer an sich bekannten Anordnung aufweisen.
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Wenn für die Drehrichtung der Scheiben 5 und 6 diejenige angenommen
wird, die in Fig. 2 durch den Pfeil F1 angedeutet ist, dann ist ersichtlich, daß
die beiden mit a, bezeichneten Kammern in der Periode des Beginns des Gasauspuffs
und der Spülung arbeiten und die beiden mit a2 bezeichneten Kammern in der Periode
des Endes der Spülung arbeiten und mit Frischluft gefüllt werden, während die beiden
Kammern bi in der Periode der Zündung und die beiden Kammern b2 in der Periode der
Verbrennung arbeiten. Wenn sich die Scheiben um den Winkel a gedreht haben, welcher
dem Winkelabstand zweier benachbarter Kammern entspricht, befinden sich die Kammern
cl in der Periode -des Endes der Spülung, die Kammern a2 in der Periode der
Zündung, die Kammern b1 in der Periode der Verbrennung und die Kammern b2 in der
Periode des Beginns des Gasausstoßes und der Spülung usf., wobei der Kreislauf sich
in den Kammern mit einer Frequenz wiederholt, die eine Funktion der Drehgeschwindigkeit
der Scheiben 5 und 6 ist.
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Wie ersichtlich, ist die Durchlässigkeit der Kammern für den Durchgang
der Spülungsluft außerordentlich groß, und zwar auf Grund des großen Querschnitts
der Einlaßöffnungen 2, die von der Scheibe 5 vollkommen freigelegt sind (Fig. 2).
Dies ermöglicht eine optimale Füllung der Kammern und infolgedessen die Erzielung
einer hohen Leistung.
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Die Verbrennung der in die Kammern 1 eingeführten Luft wird in üblicher
Weise mittels Brennstoffinjektoren 7 erhalten, welche den Brennstoff in kontinuierlicher
oder in interrnittierender Weise am Ende der Spülperioden abgeben können, beispielsweise
mit Hilfe von durch die Welle 4 angetriebenen Pumpen, die den Injektionspumpen für
Kolbenmotoren ähnlich sind.
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Die Zündung einer gefüllten Kammer, z. B. einer. Kammer bi, wird dadurch
erhalten, daß in diese Kammer Gase hoher Temperatur eingeführt werden, die aus einer
in der Periode der Verbrennung arbeitenden Kammer b2 kommen. Bei der in den Fig,'
`1' bis 3 wiedergegebenenAusführungsform trägt die Scheie5 zu diesem Zweck zwei
Kanäle 8, die in bezug auf die Achse X-X symmetrisch angeordnet sind.
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Die eine hohe Temperatur aufweisenden Gase, die durch die Kanäle 8
in die zu zündenden Kammern; wie z. B. die Kammern b1, gelangen, bewirken eine Vorkomprimierung
der in diesen Kammern enthalte nen frischen Gase und danach die Zündung dieser Gase.
Der Stoß der heißen Gase auf die frischen Gase gestattet eine Detonationsfront mit
der Erzeugung einer Druckwelle großer Amplitude und infolgedessen einer starken
Lebhaftigkeit der Verbrennung zu erzielen, und wenn dann die Kammer durch die Scheiben
abgeschlossen wird, kann ein genauer Beginn der Verbrennung bei konstantem Volumen
erhalten werden.
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Es sei bemerkt, daß die Ausschnitte der Scheibe 5 gegen die der Scheibe
6 etwas versetzt sein müssen, so daß bei einer in der Periode der Verbrennung arbeitenden
Kammer, z. B. einer Kammer b2, die Scheibe 6 die Auspuffdüse 3 freizulegen beginnt,
wenn der Druck seinen höchsten Wert erreicht, während die Einlaßöffnung 2 erst freigelegt
wird, wenn der Druck infolge des Auspuffes der Gase durch die Düse etwa auf den
Wert der Umgebung gefallen ist.
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Die genannte Versetzung der Ausschnitte der Scheiben hat außerdem
die Wirkung, daß bei den Kammern, welche am Ende der Spülung arbeiten, z. B. bei
den Kammern a., die Ausstoßdüsen dieser Kammern durch die Scheibe6 etwas vor dem
durch die Scheibe5 erfolgenden Schließen der Einlaßöffnungen 2 geschlossen werden,
was die Komprimierung der in diesen Kammern befindlichen Beschickung unter dem Einfluß
des dynamischen Druckes der zugelassenen Frischluft erleichtert.
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Die Versetzung der Ausschnitte der Scheiben kann gemäß der Drehgeschwindigkeit
und der Frequenz des Arbeitskreislaufes geändert werden, um den Trägheitsmomenten
Rechnung zu tragen.
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Durch eine geeignete Ausbildung der Gasüberführungskanäle 8 kann erreicht
werden, daß die durch diese Kanäle hindurchgehenden Gase auf die Scheibe5 eine Reaktionswirkung
ausüben, welche die Drehung dieser Scheibe sowie diejenige der Scheibe 6 und von
Zubehörvorrichtungen, wie z. B. Brennstoff-Injektionspumpen 16 (Fig. 4), die mit
der Welle 4 verbunden sind, selbsttätig bewirkt.
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Die Ausbildung der in den Fig. 1 bis 3 wiedergegebenen Kanäle 8 entspricht
diesem Fall. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Eingangsgeschwindigkeit V, der
Gase in diese Kanäle gegen die Achse geneigt ist, während die Ausgangsgeschwindigkeit
V, axial verläuft,
woraus sich eine Reaktionswirkung ergibt, welche
die Scheibe 5 in der Richtung des Pfeiles F1 anzutreiben sucht.
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Auf Grund der Erhöhung der spezifischen Energie, die in den aus den
Kammern 1 durch die Düsen 3 ausgestoßenen heißen Gasen enthalten ist, ist es zweckmäßig,
diese Gase auf Verdünnungsluft einwirken zu lassen.
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Zu diesem Zweck kann der Düse 3 jeder Kammer, wie dies in Fig.4 wiedergegeben
ist, ein trompetenförmiges Verdünnungsrohr 9 zugeordnet werden, welches sich in
den Intervallen zwischen den aufeinanderfolgenden Gasstößen mit Luft füllt, die
durch jeden Gasstoß unter Erhöhung der Bewegungsgröße bei konstanter kinetischer
Energie vorgestoßen wird.
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Bei der Anordnung und Ausbildung dieser trompetenförmigen Rohre 9
sind die nachstehenden Bedingungen zu berücksichtigen: a) Die vordere Öffnung jedes
trompetenförmigen Rohres ist von der Ausgangsöffnung der Ausstoßdüse durch einen
Zwischenraum getrennt, der bis zum Doppelten des Durchmessers dieser Düsenausgangsöffnung
betragen kann und der im allgemeinen ungefähr der Hälfte dieses Durchmessers entspricht.
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b) Die engste Stelle des trompetenförmigen Rohres hat eine Fläche,
die größer als das 1,5fache derjenigen der Ausgangsöffnung der Ausstoßdüse ist.
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c) Der divergierende Teil des trompetenförmigen Rohres ist ein Kegel,
dessen Spitzenwinkel im allgemeinen kleiner als 5°, aber in jedem Fall kleiner als
10° für Arbeitsfrequenzen zwischen 50 und 150 Verpuffungen je Sekunde ist; diese
maximale Grenze des Winkels kann für höhere Arbeitsfrequenzen erhöht werden. Die
Divergenz braucht überdies nicht konstant zu sein, sondern sie kann nach hinten
entweder progressiv oder stufenweise zunehmen.
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d) Die Länge des trompetenförmigen Rohres ist kleiner als die vom
Schall in 1 Sekunde in den aus der Ausstoßdüse austretenden heißen Gasen durchlaufene
Strecke, geteilt durch das 6fache der Frequenz der durch die Ausstoßdüse hindurchgehenden
Verpuffungen.
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Fig. 4 zeigt die Anordnung des beschriebenen Systems in einem Gehäuse
10, das dem Gehäuse eines Staustrahltriebwerkes ähnlich ist und das eine Öffnung
11, die sich zur Vorderseite des anzutreibenden Fahrzeuges od. dgl. öffnet, und
an der Hinterseite eine Öffnung 12 für den Ausstoß des Luft-Gas-Gemisches aufweist.
Die trompetenförmigen Rohre 9 öffnen sich in das Innere des Gehäuses 10, und zwar
in derjenigen Zone dieses Gehäuses, in welcher die Geschwindigkeit der Luft verlangsamt
und ihr statischer Druck auf Grund des vorderen divergenten Teiles dieses Gehäuses
gewachsen ist.
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Die hinteren Öffnungen der trompetenförmigen Rohre 9 können in einer
gewissen Entfernung vor der Ausstoßöffnung 12 des Gehäuses 10 liegen, so daß in
diesem ein Raum 13 belassen wird, in welchem eine Nachverbrennung zur weiteren Erhöhung
der Leistung der Gruppe vorgenommen werden kann.
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Die Injektoren für die Nachverbrennung können entweder in diesem Raum
13 oder vor den Rohren 9, wie in Fig. 4 bei 14 angedeutet, angeordnet sein.
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Der Raum 13 kann von dem vorderen Teil des Gehäuses 10 durch eine
Scheidewand 15 getrennt sein, durch welche die Rohre 9 hindurchgehen, die dann das
Gemisch aus Luft und Gas in den Raum 13 unter einem erhöhten Druck abgeben. Die
Ausstoßöffnung 12 des Gehäuses 10 und bzw. oder seine Einlaßöffnung 11 können mit
Vorrichtungen zum Regeln des Durchgangsquerschnitts versehen sein. Diese können
entweder Vorrichtungen mechanischer .Art (bewegliche Spindeln, Flügel oder angelenkte
Klappen) oder solche aerodynamischer Art sein, die mit gasförmiger Einschnürung
unter dem Einfluß von Gas arbeiten, das einem Teil des Triebwerkes entnommen wird,
wo ein erhöhter statischer Druck herrscht, beispielsweise unmittelbar hinter der
Scheidewand 15.
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Die in den Fig.5 und 6 wiedergegebene Ausführungsform unterscheidet
sich von der vorhergehenden dadurch, daß die Gasüberführungskanäle 8 an der Scheibe
6 anstatt an der Scheibe 5 vorgesehen sind.
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In diesem Fall ist es zweckmäßig, jede Brennkammer 1 mit einer Hilfsleitung
17 zu versehen, die parallel zu der Ausstoßdüse 3 angeordnet ist und mit den Überführungskanälen
8 zusammenwirken kann, die sich in einen kreisförmigen, nicht ausgeschnittenen Teil
18 der Scheibe 6 öffnen, so daß die Leitungen 17 außerhalb der Gasüberführungsperioden
geschlossen sind, um das Entweichen von Gas zu verhindern. Die Verbrennungsgase
werden also durch die Düsen 3 allein ausgestoßen.