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Kontinuierlich arbeitendes Strahltriebwerk, insbesondere für Kraftfahrzeugantrieb
Die Erfindung betrifft ein kontinuierlich arbeitendes Strahltriebwerk, insbesondere
für Kraftfahrzeugantrieb.
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In erster Linie ist also an einen Motor zum Antrieb von Kraftfahrzeugen
od. dgl. gedacht, wobei die Schubkraft durch Reaktion des wirbelartigen Ausstoßes
von Gasen aus einer Düse gebildet wird.
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Der Erfindungsgegenstand kann jedoch auch mit gleichem Erfolg auf
Luftfahrzeuge wie stationäre Anlagen zur Übertragung des Kraftflusses auf Antriebswellen
Anwendung finden.
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Bislang bekannte Moto.re dieser Art wurden in der Hauptsache praktisch
nur für Flugzeuge verwendet. Ein solches Aggregat bestand aus einem Luftkompressor
mit darauffolgenden feststehenden Mitteln zur Verbrennung von Kraftstoff und einer
von den Verbrennungsgasen getriebenen Gasturbine, wobei Luft erhitzt und der Kompressor
mechanisch angetrieben wird.
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Es ist dem Fachmann bekannt, daß es bei den üblichen vorerwähnten
Typen zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades nötig ist, daß der Gasstrom in der
Auspuffleitung einen hohen Druck und Geschwindigkeit besitzt. Bedenkt man, daß infolge
des unveränderlichen Volumens des Verbrennungsraums und der erstrebten Gleichdruckverbrennung
eine Anpassung an den jeweiligen Durchsatz nicht möglich ist, so ist klar, daß bei
diesem Maschinentyp die Geschwindigkeit mit Erfolg nur in einem sehr kleinen Bereich
ohne zusätzliche Verluste gesteuert und beherrscht werden kann, so daß die Antriebsmaschine
z. B. bei Halblast nicht zufriedenstellend arbeitet, da der Gasdruck in der Verbrennungskammer
so gering würde, daß die tatsächlich zur Verfügung stehende Rückstoßwirkung praktisch
auf Null absinken würde. Dieser Nachteil ist nun zwar bei Flugtriebwerken von geringerer
Bedeutung, da deren Motor praktisch vorwiegend mit voller Drehzahl auf Vollast arbeitet
vom Augenblick, da das Flugzeug startet und vom Boden absetzt.
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Bei einem Land- oder Wasserfahrzeug dagegen arbeiten die Maschinen
(Motoren) in einem großen Variationsbereich für Geschwindigkeit und Leistung, weshalb
eine neue Antriebsturbine dieser Art so konstruiert sein muß, daß sie diese Nachteile
möglichst vermeidet.
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Bekannt sind Turbinen, bei denen sich sämtliche Längsachsen der Flammrohre,
nach der Rotationsachse zu geneigt, im Seitenriß auf ihr schneiden, jedoch in einer
Richtung abweichen, die der Rotationsrichtung der Turbine entgegengesetzt ist (britisches
Patent 651700). Über die Größe des Radius, auf dem die Flammrohraustritte
liegen sollen, besagt die bekannte Literatur nichts, entgegen Vorveröfentlichungen
soll jedoch der Radius möglichst klein sein, nur so groß, daß die von der Turbine
zu liefernde Kompressorleistung sichergestellt ist. Je kleiner der Radius ist, um
so besser, weil damit das Gleichgewicht trotz Änderung von Rückstoß und Rotationskomponente
gewährleistet ist, was besonders bei Straßenfahrzeugen wichtig ist.
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An und für sich ist auch nicht neu (französisches Patent 916 261)
eine räumliche Trennung und Triebverbindung zwischen Kompressor und Turbine bekannt.
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Für die vorliegende Erfindung ist Kriterium, daß die Brennkammer samt
Flammrohren im Innern des Rotors der Turbine angeordnet ist, und die glückliche
Kombination der an sich bekannten Merkmale, daß einerseits sich sämtliche Achsen
der Flammrohre nach der Achse zu geneigt im Seitenriß auf ihr schneiden, jedoch
in einer Richtung abweichen, die der Rotationsrichtung der Turbine entgegengesetzt
ist, und daß andererseits die Turbine ferner vom Kompressor räumlich getrennt ist
und ihr Rotor in Triebverbindung mit dem Kompressor steht.
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Unter Berücksichtigung des oben Gesagten besteht ein weiteres Merkmal
der Erfindung darin, das Turbinen- oder RückstoBtriebwerk für gegebene Daten. so
leicht und in seiner räumlichen Ausdehnung so klein wie möglich zu gestalten.
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Außerdem soll der- Antrieb über einen großen Variationsbereich für-
Geschwindigkeit und Leistung verfügen. -
Von Bedeutung ist auch,
daß die Ausbrandflamme im Auspuffrohr so kurz wie möglich ist, wenn das Triebwerk
für Kraftfahrzeuge u. dgl. Verwendung finden soll.
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Bei Anwendung für Kraftwagen soll der Erfindungsgegenstand langsam
starten und, falls gewünscht, unmittelbar darauf das Fahrzeug in Bewegung setzen
können. Die Gase sollen so ausgestoßen werden, daß sie dank besonderer Anordnung
die Turbine direkt antreiben können, d. h., der Ausstoß erzeugt eine radial gerichtete
Antriebskraft, eine Drehkraft.
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Weiter besteht die Erfindung in einem regelbaren Steuerventil im Auspuffrohr
zur Steuerung und Regelung des Gasstromes. Wenn dessen Klappen z. B. offen stehen,
ist die Drehkomponente relativ klein und die Rückstoßkomponente groß, die Resultierende
verläuft spiralartig auf einem Kegelmantel auf die zentrale Längsachse zu. Bei Anwendung
der Erfindung auf ein Automobil, wo das Verhältnis Gewicht zu Leistung (kg/PS) nicht
von so ausschlaggebender Bedeutung ist wie für Luftfahrzeuge, kann eine Vielzahl
von Teilen aus gewöhnlichem Material (Stahlguß, Wachsguß u. dgl.) erzeugt werden;
mit anderen Worten, eine große Zahl von Teilen braucht nicht aus kostspieligen leichten
Legierungen erzeugt zu sein.
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Erfindungsgemäß ist die Einrichtung konstruktiv besonders einfach,
und es ist Wert gelegt auf eine geringe Anzahl Konstruktionsteile.
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Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden an Hand
der Beschreibung in Verbindung mit der ein Ausführungsbeispiel veranschaulichenden
Zeichnung deutlich.
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Strahltriebwerk;
Fig. 2 ist ein Querschnitt nach Linie II-II der Fig.1; Fig. 3 ist ein Querschnitt
nach Linie III-III der Fig. 1; Fig.4 ist eine perspektivische Seitenansicht des
Kompressorteiles des Triebwerks gemäß Fig. 1.
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Das in Fig.1 gezeigte kontinuierlich arbeitende Strahltriebwerk besteht
aus einem rohrartigen Gehäuse 1, dem ein Kompressor 2 eingegliedert ist sowie eine
diesem zugeordnete Gasturbine 3, sowie einem Auspuffrohr, das an das Gehäuse 1 angeflanscht
ist: Der Kompressor 2 ist ein Radialkompressor mit einem Radialläufer 5, der im
Gehäuse 6 umläuft, das beidseitig Lufteinlässe 7 aufweist und mit einem Diffusor
8 verbunden ist, der am Umfang tangentiale Auslässe hat, deren (Fig.4) jeder mit
einer rüsselartigen, am Kompressor 2 anliegenden Leitung 9 verbunden ist, die die
durch den Läufer 5 geförderte Luft divergierend verteilen. Die Krümmung der Leitungen
9 ist so gewählt und diese sind so angeordnet, daß der Luftstrom mit möglichst geringem
Druckverlust nach den Luftsammelrohren 10 (Fig. 1), die im Gehäuse 1 vorgesehen
sind, strömen kann. Der Läufer 5 ist auf einer hohlen Antriebswelle 11 montiert,
die im Gehäuse 1 mittels Wälzlagern 12 in geeigneter Weise abgestützt und gelagert
ist. Das Stirnende 11' der Welle 11 steht mit den Luftzuführungsrohren 10 in Verbindung,
so daß die durch Kompressor 2 angelieferte Luft durch die Hohlwelle 11 strömen kann,
wie das die Pfeile 13 andeuten.
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Wenn das Triebwerk z. B. für ein Automobil gebaut ist, so wird die
Hohlwelle 11 mit einem Zahnrad 14 ausgerüstet, das mit dem äußeren Kranz 15' eines
Zwischenzahnrades 15 kämmt, das mit seiner Achse im Gehäuse 1 und dem mit ihm verbundenen
Zusatzgehäuse 16 gelagert ist. Das Rad 15 beisitzt ferner einen inneren Zahnkranz
15", das mit dem Ritzel 17 einer Pumpe 23 im Eingriff steht, das auf deren Welle
18 sitzt, die im Gehäuse 16 lagert. Die Welle 18 trägt ein Kegelrad 19, das mit
einem Paar Kegelrädern 20 (nur eines davon ist in Fig. 1 sichtbar) zusammenwirkt,
während das andere in Front von ihm und in Front der Ebene des Längsschnittes der
Fig. 1 vorgesehen ist. Eines dieser Räder 20 ist mit einem elektrischen Startermotor
durch eine Kupplung verbunden, während das andere in ähnlicher Weise mit einem Stromerzeuger
zur Lieferung des zum Starten der Zündung des Kraftstoffes nötigen elektrischen
Stromes verbunden ist, weshalb an dem Stromerzeuger mittels geeigneter, an sich
bekannter Elemente eine Zündkerze 21 angeschlossen ist.
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Die Darstellung dieser bekannten Elemente erübrigt sich, weil sie
nicht Gegenstand der Erfindung sind. Mittels einer Kupplung 22 ist die Pumpenwelle
18 "an die Brennstoffpumpe 23 angeschlossen. Diese besitzt eine Zuleitung 24, die
an einen Kraftstoffbehälter (nicht dargestellt) angeschlossen ist, sowie eine Brennstoffspeiseleitung
25, die durch die Stopfbüchse 26 an das Stirnende 1' des Gehäuses 1 angeschlossen
ist.
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Die Stopfbüchsenmuffe 26' besitzt einen kappenförmigen Ansatz 27,
der vom Frontteil 1' des Gehäuses 1 (eingeschraubt) getragen wird und seinerseits
ein feststehendes Kraftstoffleitungsverbindungsstück 28 trägt, das mit dem freien
Ende 25' der Speiseleitung 25 in Verbindung steht. Eine becherförmige Büchse 29
ist auf dem Rohrstück 28 gleitbar geführt, und eine zwischen Teil 27 und 29 angeordnete
Feder 30 treibt Teil 29 zur Bildung einer brennstoffdichten Verbindung federnd
gegen eine drehbare becherförmige Büchse 31, die fest mit dem Erennstoffzuführkopf
32 der sich drehenden Brennstoffleitung 33 verbunden ist, die durch die Hohlwelle
11 führt. Das Stirnende 1' besitzt eine Bohrung 34 mit einem Wälzlager 35, das ein
Ende der drehbaren Brennstoffleitung 3 trägt.
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Wie später verständlich sein wird, rotiert die Leitung 33 mit dem
umlaufenden Teil der Gasturbine 3, weshalb zwischen der Speiseleitung ,:25 bzw.
deren feststehendem freiem Ende 25' und dem sich drehenden Brennstoffzuführkopf
32 eine geeignete Verbindung hergestellt sein muß in Anbetracht des hohen Druckes
des Kraftstoffes, den diese Motorenart voraussetzt.
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Eine solche geeignete Kraftstoffverbindung ist vorgesehen und gegeben,
weil die stationäre becherförmige Tüchse29 lose auf der festen Brennstoff leitung28
montiert und federnd, 30, gegen die becherförmige Büchse 31 gedrückt wird und das
freie Ende 28' des Rohrstutzens 28 in den Brennstoffzuführkopf 32 eindringt.
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Die Gasturbine 3 ist im Gehäuse der Brennkammer 36 angeordnet, das
die Fortsetzung des röhrenförmigen Gehäuses 1 bildet.
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Innerhalb der Kammer 36 befindet sich der Turbinenrotor. Dieser besteht
aus dem Muschelaußenmantel 37, der zusammen mit der Hohlwelle 11 drehbar auf dieser
vorgesehen ist, einem konischen Frontteil 37', das mit dem Mantel 37 verbunden ist,
und einem rotierenden zentralen Herzstück 38, das an dem anderen Ende der umlaufenden
Kraftstoffspeiseleitung 33 sitzt und eine kugelige Kammer 39 aufweist, die als zentraler
Kraftstoffverteiler anzusehen ist und in die das rotierende Rohr 33 mündet.
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Das umlaufende Herzstück 38 ist durch den feststehenden Kern 40 mittels
des Wälzlagers 41 abgestützt, das so auch an einem' Ende mittelbar die rotierende
Brennstoffleitung trägt.
Der stationäre Kern 40 wiederum wird von
vier am Umfang verteilten Zwischenwänden 42 getragen, die in der Auspuffleitung
4 mit deren Wandung verbunden angeordnet sind. Der Turbinenrotor umfaßt also, soweit
beschrieben, die äußere Muschel 37, den konischen Frontteil 37' und das umlaufende
Herzstück 38. Innerhalb dieser Zusammenstellung befindet sich eine Anzahl von Flammrohren
43 (Fig. 1 und 3), welche starr im Turbinenrotor eingebettet sind (vorzugsweise
eine ungerade Zahl, z. B. sieben), so daß der Turbinenrotor mit Sicherheit dynamisch
ausgeglichen ist.
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Jedes Flammrohr 43 besitzt eine Anzahl Löcher 43', so daß die von
der Hohlwelle 11 kommende, in den Turbinenrotor eintretende Luft die Flammrohre
43 durchdringen und sich dort mit Brennstoff vermischen kann. Jedes Flammrohr 43
hat eine Längsachse 44, welche mit der Ejektorachse der Düse 45 zusammenfällt oder
koaxial ist, die im Bodenteil des Flammrohres 43 angeordnet und an ein Brennstoffverdampfer-oder
-vergaserrohr 46 angeschlossen ist, das vom rotierenden Herzstück 38 getragen wird
und mit der Zentralbrennstoffverteilerkammer 39 über eine Stopfbüchse 60 in Verbindung
steht. Handelsübliche Zerstäuberdüsen können auch für diesen Zweck Anwendung finden
und brauchen im einzelnen nicht erläutert zu werden.
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Die Kraftstoffzerstäuberrohre 46 sind in bezug auf die Zentralbrennstoffverteilerkaminer
39 und die Flammrohre 43 so angeordnet, daß ein gleichförmiger Strom erzielt wird,
wie das am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, wo gezeigt ist, daß sich die Röhre
46 tangential von der Kammer 39 aus erstrecken.
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Die Flammrohre 43 und deren Achsen 44 sind nach der Rotationsachse
47 zu geneigt und weichen in einer Richtung ab, die der Rotationsrichtung der Turbine
entgegengesetzt ist, um eine wirbelähnliche Kraftstoffzerstäubung hervorzurufen.
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Die einzige Zündkerze 21 der Verbrennungskammer 36 ist in Front des
freien Endes des konischen Frontteiles 37' vorgesehen.
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Aus Fig. 1 ist weiterhin ersichtlich, daß der rotierende Kern 38 mit
einer Anzahl Kühlkanäle 48 versehen ist_, die in eine Kühlkammer 49 münden, die
durch einen Propfen 50 von der zentralen Brennstoffverteilerkammer 39 getrennt ist.
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Die Kühlkammer 49 kommuniziert außerdem mit Kühlkanälen 51 im feststehenden
Kern 40, die die Kammer 49 mit einer zentralen Steuerkammer 52 (Fig. 2) eines Steuerventils
verbinden, das z. B. aus einer Anzahl von Flügeln 53, 53' besteht, welche im Unikreis
um die Achse 47 angeordnet sind und deren jeder um seine eigene Achse 54 drehbar
angeordnet ist, so daß bei gleichzeitiger Betätigung der Flügel. gruppe, 53, 53'
die Auspuffleitung zur Turbine vom völligen Abschluß bis zur vollen bffnung geregelt
werden kann.
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Aus diesem Grunde bilden die Flügel 53, 53' z. B. ein Achteck, aber
auch ein anderes regelmäßiges Vieleck kann nach Belieben Anwendung finden. In Fig.
2 ist der Flügel 53' als Antriebsflügel dienend auf der Achse 55' angeordnet
gezeigt, die ihrerseits mittels des Gestänges 56 durch den mit der Brennstoffpumpe
23 verbundenen hydraulischen Servomotor 57 gesteuert wird, wie später noch erläutert
wird. Die Achse 55' trägt ein Ritzel 58', das mit einem Zentralsteuerrad 59 kämmt,
das auch mit den Ritzeln 58 der übrigen Flügel 53 im Eingriff steht, so daß bei
Verdrehung der Achse 55' und dadurch des Flügels 53' gleichzeitig auch alle anderen
Flügel um ihre Achsen 55 verstellt werden und die gesamte Durchlaßöffliung, die
den Gas-Icanal zwischen Turbine 3 und deni Auspuff 4 bildet, auf diese Weise geregelt
wird.
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Die inneren und äußeren Enden der Achsen 55 ruhen auf Kugeln 61 bzw.
62 und senken die Reibung auf ein Minimum; die Achse 55' stützt sich auf einer inneren
Kugel 61 ab. Die Zentralsteuerkammer 52 steht ferner mit Kühlkanälen 63 in Verbindung,
die in den Auspuffkanal 4 münden.
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Die oben beschriebene Konstruktion offenbart die grundlegenden Mittel
zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Steuerprinzips, wenn es auch erforderlich
sein mag, in gewissen Fällen weitere Details vorzusehen; z. B., wenn das Strahltriebwerk
für ein Automobil konstruiert werden soll, so mögen Kühlmäntel für den Umlauf eines
Kühlmediums vorzusehen sein, es handelt sich dabei jedoch um jedem Fachmann geläufige
Einzelheiten.
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Die Wirkungsweise des Strahltriebwerkes nach der Erfindung ist die
folgende: Zum Anlassen der Maschine wird der mit dem Kegelrad 20 gekuppelte elektrische
Motor verwendet, welcher seinen Impuls auf das Kegelrad 19, die Pumpenwelle 18 und
von da über dein Rädersatz 17, 15, 14 auf die hohle Antriebswelle 11 überträgt.
Während dieses Startvorganges bleibt das vom Fahrer betätigte Kraftstoffzufuhrventil
64 in der Brennstoffspeiseleitung 25 geschlossen. Infolge der Drehung der Antriebswelle
11 drückt das Flügelrad 5 durch die Leitungen 9 komprimierte Luft in den Rotor der
Turbine 3, die ebenfalls umläuft. Während des Startvorganges bleiben auch die Flügel
53, 53' zumeist völlig geschlossen. Nach Erreichen einer gewissen Geschwindigkeit,
einer Drehzahl von etwa 1000 Umdrehungen je Minute, wird das Brennstoffventil 64
geöffnet, worauf durch die Düsen 45 Kraftstoff in die Turbine 3 eingespritzt wird
und die Zündkerze 21 gleichzeitig die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches herbeiführt,
worauf die Turbine den Antrieb der Hohlwelle 11 übernimmt.; die Ausströmachsen 44
der Flammrohre 43 sind ja so zur Rotationsachse 47 geneigt, daß der Treibeffekt
durch den Rückdruck cler ausströmenden Verbrennungsgase erzielt wird, die unter
wirbelähnlicher Kraftstoffejektion entstehen.
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Zu gleicher Zeit entkuppelt die Kupplung sowohl den Startermotor wie
den Stromerzeuger. Wenn die Geschwindigkeit ansteigt, muß die Pumpe 23 eine größere
Brennstoffmenge fördern, und zu gleicher Zeit wird der mit ihr gekoppelte Servomotor
37 die Flügel 53, 53' langsam öffnen, so daß mehr Gase durch den Auspuff 4 entweichen
können und somit der Axialschub größer werden wird. Was die Kühlung des drehenden
Kernes 38 und des stationären Kernes 40 anbetrifft, kann aus Fig. 1 ersehen werden,
daß der Kompressor 2 zu gleicher Zeit Luft durch die Kanäle 48, 51 und 63 schickt
und dabei die nötige Kühlwirkung vollzieht.
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Wenn der Antriebsmotor im Zusammenhang mit einem Automobil Anwendung
finden soll, wird der äußere Zahnkranz 15' des Zwischenrades 15 an ein Getriebe
des Kraftfahrzeuges angeschlossen, urn bei niedriger Drehzahl die Antriebskraft
von der Welle 11 über das Zwischenrad 15 auf die Treibräder des Kraftfahrzeuges
zu übertragen.
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Diese Kupplungsart wird beim Starten des Wagens und bei Stadtfahrten
benutzt. Für hohe Geschwindigkeit, z. B. auf Autobahnen, wird das Kraftfahrzeuggetriebe:
abgeschaltet und der Axialschub des Triebwerks unmittelbar genutzt. Versuche haben
ergeben, <laß es erforderlich ist, die Automobile mit Stabilisatoren auszurüsten,
Flügeln, Rudern u. dgl.
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Der Erfindungsgegenstand hat, in der Praxis gebaut, seine Bewährungsprobe
bestanden.