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Kapselmaschine für elastiseaes Treibmittel er
Die Erfindun',
bezieht sich auf eine Kapselmaschine für elastisches Treibmittel und betrifft insbesondere
die Abdichtung der Wellen einer solchen Kapselinaschine. Es sind Kapselmaschinen
bekannt, bestehend. aus mit einem Gehäuse zusammenwirkenden und mit schrau#benförmigen
Rippen und Nuten versehenen Rotoren, deren Gehäuse auf den Wellenenden durch Einlage
von Ringen abgedichtet ist. Die Ringe sitzen bei den bekannten Maschinen radial
unbeweglich auf der Welle oder im Gehäuse. Dadurch entsteht der Nachteil, daß die
Abdichtung bei VerbIegungen der Welle im Bereich nicht sicher wirkt. Verbiegun#gen
in der Welle sind aber beim Betrieb solcher Maschinen unvermeidbar.
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Erfindungsgemäß schleifen nun die in Stützringen gefaßten, durch federnde
Mittel am Gehäuse der _NIaschine ab-estützten Dichtringe unmittelbar auf der #NMie
oder auf einem auf der sitzenden Flansch. Bei dieser Anordnun- können die Dichtringe
eine Radialbewegung ausführen und in dieser Radialbewegung Z, z# den Biegungen
der Welle im Betrieb uneingeschränkt folgen, und die Dichtwirku-ng erleidet keine
Einbuße. Praktisch sitzen die Dichtringe sehr leicht unter Einhaltung eines ganz
geringen Spieles auf den Wellenenden. Die am Gehäuse abgestützten federnden Mittel
drücken die unmittelbar auf der Welle schleifenden Dichtringe gegen Anschläge, die
eine radiale Bewegung der Ringe zulassen. Der Stützring, der den an einen Flansch.
der Welle angedrückten Dichtring trägt, ist auf einem außen mit einem Kolbenring
versehenen, rlie Welle umschließenden Bundteil des Gehäuses aufgeschoben und hier
axial beweglich.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend an
Hand der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine nach Art einer Kapselmaschine
ausgeführte Verbrenn#ungsmaschine, bestehend aus Kompressor und Expansionsteilen;
Fig. 2 ist eine Teildarstellung in größerem Maßstab von einer Dichtung, wie sie
bei der Maschine gemäß Fig. 1 in Benutzung kommt; Fig. 3 ist eine
ähnliche Darstellung wie Fig. 2. Sie zeigt eine andere Ausführungsform der Dichtung;
Fig. 4 ist eine Teildarstellung eines geänderten Dichtungsringes nach Fig.
3 in noch größerem Maßstab; Fig. 5 ist eine teilweise Ansicht eines
Dichtungsringts gemäß Fig. 4.
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In der Fig. 1 bezeichnet 10 die Antriebsmaschine eines
Maschinensystems, die als sogenannte Kapselmaschine ausgeführt ist. In diesen Maschinen
sind die Arbeitsräume durch Zusamm-enwirkung zweier miteinander im E- ingriff stehender
Rotoren 12 mit schraubenförinig gewundenen Rippen und Nuten gebildet. Die Rotoren
drehen sich in einem Gehäuse 14. Dieses ist mit Einlaß- und Auslaßöffnungen zur
Zuführung und Abführung eines elastischen Treibmittels versehen. Die Konstruktion
der Maschine wird später im einzelnen beschrieben.
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16 bezeichnet den Kompressor, der vorzugsweise die gleiche
-#,la.,#chinenart darstellt und ebenfalls miteinander im Eingriff stehende, schraubenförmig
genutete Rotoren 18 besitzt, die in ei:nem Gehäuse 20 sich drehen. Es sind
ebenfalls sich im Volumen ändernde Verdrängungsräume nach Art der Kompression eines
elastischen Mittels in Kapselmaschinen vorgesehen. Das elastische Mittel ist im
vorliegenden Falle Luft. Der Kompressor 16 wird von der Maschine unmittelbar
über eine Welle 22 und eine Kupplung 24 angetrieben, die die Rotoren, 12 und
18 miteinander verbinden.
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Bei der dargestellten Ausführung sind Maschine und Kompressor zu einer
Einheit zusammengstellt. Das Gehäuse der Maschine und der Kompressor sind durch
ein Zwischengehäuse 26 miteinander verbunden. In diesem ist unter anderem
ein Verteilungsraum 28 für komprimierte Luft vorgesehen, die von dem Kompressor
geliefert wird. Die Luft, die in den Raum durch die nicht dargestellte Einlaßleitung
des Kompressors geliefert wird, tritt über die. Auslaßöffnung 30 in den Verteilerraum
28 ein. Von hier aus geht die komprimierte Luft, wie später noch beschrieben
wird, über geeignete Kanäle durch das Gehäuse sowie die Rotoren der Maschine als
Kühlräediurn hindurch, ehe sie alsdann in der Maschine weiterverwendet wird. In
vorliegendem Falle wird zur Rückgewinnung der
überschüssigen Abgashitze
ein Regenerator benutzt, und die Luft, die die Maschine verläßt, fließt, nachdem
sie ihre Kühlfunktion hinter sich hat, durch die Leitung32 sowie geeignete Wärmeaustauschrohre
in eine Leitung, durch die der Regenerator mit dem Verbrennungsraum verbunden ist.
Dem Verbrennungsrauin wird Brennstoff durch einen Brenner zugeführt, indem er zwecks
Erzeugung einer hohen Treibteinperatur mit Luft verbrannt wird. Hierdurch werden
Verbrennungsprodukte erzeugt, die in der Maschine expandieren. Aus dem Verbrennungsraum
gelangt das Treibmittel durch die Einlaßöffnung 34 der Maschine in die Arbeitsräume
und von letztere aus über einen Auslaß 36 in den Gasraum des Regenerators;
von hier aus über einen Auslaß ins Freie.
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Von der Maschine 10 aus wird die nicht zur äußeren Belastung
verwendete Leistung der Maschine auf den Kompressorrotor 18 durch eine Welle
übertragen.
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Das Maschinengehäuse besteht aus einem zylindrischen Mantel
38, der an beiden Enden durch Deckel 40 und 42 verschlossen ist. Der Deckel
40 trägt die Einlaßöffnung 34 für das Treibmittel. Der Mantel 38 ist mit
einer Anzahl am Umfang angeordneter Kühlleitungen 44 versehen, die in Gruppen unterteilt
sind und durch die Kühlluft hindurchtritt.
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In der ersten Gruppe wird die Luft durch einen ringförmigen Zuführungsraum
46 zugeleitet, und zwar durch obere Durchlässe. Die Luft fließt abwärts um den Mantel
herum zu unteren Durchlässen, durch die sie in die zweite Gruppe der Kühlkanäle
übertritt. Durch letztere strömt sie aufwärts und tritt durch eine Leitung 48, die
mit der Leitung 32 in Verbindung steht, aus dein Gehäuse aus. Der Zuführungsraum
46 ist durch eine Leitung 50 mit dein Verteilerraum 28
verbunden. Rund
um die Wan-dung des Auspuffes 36
ist ein ringförmiger Kühlkanal vorgesehen.
Dieser Kanal wird durch eine Öffnung 54, die mit der Leitung 50 in Verbindung
steht, mit Luft versehen und entleert sich durch einen Auslaß 56 in einen
Raum 58
des Gehäuses 60. Von dem Raum 58 aus strömt die Luft
in die Leitung 32 über einen Durchgang 62, der mit der Leitung 48
in Verbindung steht.
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Die Rotoren 12 bestehen aus ringförtnigen zentralen Teilen 12 a sowie
Teilen 12 b. Die zentralen Teile 12 a sind aus herstellungstechnischen Gründen
zweckmäßig aus Einzelteil-en zusaminengeschweißt, wie dargestellt, und mit einer
großen Zahl Kühlkanälen.64 versehen. Diese erstrecken sich in Längsrichtung zu den
Rippen der Rotoren und sind sehr dicht an deren Oberflächen angeordnet.. um eine
gute und gleichmäßige Oberflächenkühlung zu erzielen. Größe und Anzahl der Kühlkanäle
sind so bemessen, daß ihre Oberfläche die äußere Oberfläche der Rotorrippen und
Nuten übersteigt, um eine gute Kühlfläche zu erzeugen. Dies ist, wie später gezeigt
wird, sehr wichtig. Die Eildteile der Rotoren sind schalenartig ausgebildet und
erzeu '-en hierdurch ringförmige Verteilungsräume 66
über die Rotoren.
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Am Antriebsende der Rotoren sind diese mittels hohler Wellen
68, die mit ihren offenen Enden in den Verteilungsrauni 28 hineinweisen,
gelagert. Die Antriebswelle 22 ist an einem Mittelteil des Rotors 12 mittels einer
Verbindung 70 befestigt, durch die die Luft daran gehindert wird, von dem
ringförmigen Raum 72 zwischen der Antriebswelle und der hohlen Rotorwelle
68 in die mittlere Bohrung 74 des Rotorteiles 12a zu gelangen. Die Welle
68 ist mit Durchlässen 76 zum Durchtritt der Luft in die Verteilungskammer
66 versehen. Von der Verteilungskammer 66
aus gelangt die Luft in die
radiale äußere Gruppe der Kühlkanäle 64. Die innere Gruppe ist voll einer Verbindung
mit der Kammer 66 abgeschlossen, wie aus Fig. 1 erkennbar. Die Luft
fließt also durch die äußere Gruppe zu der Kammer 66 und zurück zur inneren
Gruppe. Aus der letzteren tritt sie durch radiale Öffnungen 78 in den --Xittelkanal
74. Die anderen Enden der Rotoren werden durch Hohlwellen 80 getra-en. Die
mittlere Bohrung 74 des Rotors 12 steht mit der Bohrung der Welle 80 in Verbindung
und führt die Luft in die Leitung 32. Die Kühlaliordnun- für den anderen
Maschinenrotor ist ebenso ausgebildet wie diejenige des Rotors 12 und braucht hier
im einzelnen nicht i )eschrieben zu werden. Es ist nur zu beinerken, daß, da keine
Treibverbindung, wie die Verbindung in dem Rotor 12, vorgesehen ist, eine Scheidewand
angeordnet werden muß, um die Kühlluft von der Welle 68 in den Verteilerraum
66 zu leiten.
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Uni eine geeignete und gleichinäßige Kühlung für die Maschine zu erreichen,
insbesondere zur Kühlung der Deckel des Gehäusen, und der Rotoren und der hocherhitzten
Enden der Rotorwellen, werden die nachstehenden Mittel angewendet. All dein
Deckel 40 ist eine Kammer 84 vorgesehen, die die Rotorwellen umschließt und die
mit unter hohem Druck befindlicher K-iihlluft durch eine Öffnung 86 versehen
wird, die von der Leitung 50 ausgeht. Die Fläche des Deckels 40, die an die
Rotoreii anstößt, ist mit Nuten versehen, die um die Rotorwellen all der Einlaß-
oder Hochdruckseite der Maschine herum verlaufen und die mit der Kammer 84 durch
Öffnungen in dein Deckel in Verbindung stehen. Von diesen Nuten aus fließt Kühlluft
unter hohem Druck in die Spalten zwischen den Rotorenden und dem Deckel. Ein Teil
fließt voll den Spalten in die 'Maschine und mischt sich hier mit dein Treibrilittel.
Ein weiterer Teil fließt von den Spalten durch die Packungen 88 zwischen
den Nabenteilen der Rotorteile 12 b und den Durchtrittsöffnungen für die NN-ellen
in dein Deckel. Diese Packungen sind von bekannter Ausbildung, insbesondere als
sogenannte Labyrintlipackungen ausgebildet. deren Dichtwirkung von dein Druckabfall
des Verlusttreibmittels in den feinen Spalten der Packung abhängt. Die Verlustluft
kühlt die Wellelienden und "elangt von den Dichtungen aus durch Luftraum
90
in die Atmosphäre, der zwischen dem stationären Gehäuse und den Halteinuttern
92 vorgesehen ist, welch letztere den Rotor und die Teile 12b genau
in Stellung halten. Die Deckelplatte 40 ist mit Kühlrippen 94 versehen, durch die
eine erhöhte Kühloberfläche für den Luftdurchtritt durch die Kammer 84 erzeugt wird.
Am gegenüberliegenden Ende der Rotoren wird die Kühlung all der Hochdruckseite in
ähnlicher Weise bewirkt. Die Kammer 58 an der Deckelplatte 42 liefert Hochdruckluft
in die Kanäle durch Öffnungen für den Fluß durch die Endspalten in der Maschine
und durch die Wellendichtungen 96
zur Atmosphäre.
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An der unteren bzw. Gasseite der -Maschine ist der Druckunterschied
zwischen dein Treibi-nittel und der Hochdruckluft so, daß es zweckmäßig ist, Luft
voll geringem Druck zur Kühlung der Rotorendien allzuwenden, was in der nachstehend
beschriebenen Weise tueschieht.
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All der Antriebsseite der -Maschine werden die Wellen 68 in
Lagern 98 getragen. Außerdem sind Schublager 100 zur Aufnahme des
Axialschubes des Rotors vorgesehen. Vom Standpunkt der Schmierung dieser Lager aus
ist es zweckmäßig, daß die Kammer, in welcher diese untergebracht sind, nicht unter
Druck
steht und die Dichtungen, wie sie mit 102 bezeichnet sind, dienen dazu, es zu verhindern,
daß komprimierte Luft aus dem Verteilungsraum 28 in den Lagerraum übertritt.
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In ähnlicher Weise sind derartige Dichtungen 104 vorgesehen, um zu
verhindern, daß komprinlierte Luft aus der Leitung 32 in die Kammer übertritt,
in der die Steuerräder 82 und die Lager 106, in denen die Rotorwellen
80 gelagert sind, gelangen kann.
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An der Niederdruckseite der Packungen 102 sind Kammern 108
vorgesehen, in denen die Verlastluft aufgefangen wird. Diese Kammern werden durch
ge-
eignete Verbindung mit einem verzweigten Rohran-Schluß verbunden. In ähnlicher
Weise wird die Verlustluft aus den Dichtungen 104 in den Kammern 110
gesammelt
und ebenso durch eine oder mehrere Verbindungsleitungen zu dem verzweigten Rohranschluß
geführt. Diese Dichtungen und ihre Verbindungen dienen so einem doppelten
Zweck. Sie halten den Druck von den Lagerräumen fern und außerdem ermöglichen sie
es, daß die Verlustluft unter einem reduzierten Druck zur Kühlung der iNiederdruckseiten
der Rotorenden verwendet werden kann. Diese Kühlung wird in gleicher Weise erreicht,
wie es bereits in Verbindung mit der Hochdruckseite beschrieben wurde. Die Deckelplatte
40 ist mit Nuten an der Niederdruckseite versehen, die von der Rohrverzweigung aus
niedriggespannte Luft über Verbindungen in dem Deckel erhalten. In gleicher Weise
wird die niedriggespannte Luft an der Niederdruckseite der Rotoren an dem anderen
Ende durch Nuten und Verbindungen zugeführt.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kompressor
16 in gleicher Weise mit schraubenförmigen L\Tuten wie die Maschine
10 versehen. Diese Kornpressorart ist an sich bekannt und braucht im einzelnen
nicht beschrieben zu werden. Zu erwähnen ist nur, daß, je nach der gewünschten
Kapazität, dem Verdichtungsverhältnis, der Arbeitsgeschwindigkeit u. dgl. Faktoren
die Anzahl der Rotoren, die Anzahl der Nuten pro Rotor, der Steigungswinkel sowie
die Durchlaßausbildung verschieden gestaltet sein können, wie es bei der Maschine
auch der Fall ist. Der Kompressor kann gekühlt sein. Normalerweise ist es zur Kühlung
ausreichend, das Gehäuse mit einem Wasserinantel zu versehen, da ja die Temperatur
des Kompressors weit niedriger ist als diejenige der Maschine.
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Bei der vorliegenden Ausführungsforin werden die Kompressorrotoren
18 in geeigneten Lagern gelagert, wobei auch Lager zur Aufnahme von Axialschub
vorgesehen sind. Die Rotoren werden in Richtphase durch Steuerräder gehalten. Am
Hochdruckende des Koinpressors sind die Rotorwellen 112 mit Verlustdichtungen 114
versehen, die in dadurch belüftete Kammern116 ausmünden. Das Lager112 wird durch
eine weitere Verlustdichtung 118 abgedichtet, deren Durchfluß über eine Verbindun-
mit der Rohrverzweigung für die Niederdruckkühlung in Verbindung steht.
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Eine Deckelplatte deckt das Ende des Rotors ab, und aus der Zeichnung
ist zu erkennen, daß der Lagerraum an dem Hochdruckende des Kompressors auf diese
Weise druckfrei ist. Durch diese Ausbildung in Verbindung mit der Ausbildung für
die Lagerräume der Maschine wird es möglich, ein einziges Schmiersystein anzuwenden,
von, dem aus das Schmiermittel allen Teilen unter gemeinsamem Druck zugeführt wird.
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Bisher wurden für diesen Zweck Labyrinth- oder Verlustdichtungen verwendet,
und zwar für die Maschine und den Kompressor. Die Verlustluft wird dem System nutzbringend
wieder zugeführt, um die äußere Kühlung der Enden der Rotoren, die der hohen Temperatur
des Treibmittels ausgesetzt sind. wirksamer zu machen.
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Vom Standpunkt des gesamten thermischen Wirkungsgrades des Systems
aus ist es aber vorteilhaft das gesamte Treibmittel, welches komprimiert wurde,
in ein Treibmittel hoher Temperatur mit der gewünschten Einlaßtemperatur zur Expansion
in dem System umzuwandeln. Um dieses Ergebnis bei der Erfindung zu erzielen, muß
das komprimierte Treibmittel, welches durch die Maschinenrotoren und/oder das Gehäuse
zu Kühlzwecken hindurchgeleitet wurde, abgedichtet werden von den Durchlässen und/oder
Arbeitsräumen für das expandierende Treibmittel. Es wurde gefunden, daß diese Abdichtung
der beiden Mittel voneinander in der nachstehend beschriebenen Weise wirksam erreicht
werden kann.
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Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich
von de.1 bisherigen darin, daß Kolbenringdichtungen oder Ringdichtungen aus ähnlichem
Material, wie z. B. plastischen Massen oder Metallpulverma,t,eria-1, anstatt der
Verlustdichtungen angewendet werden. Hierbei werden das Kühlmittel und das Treibmittel
voneinander isoliert, und im Austausch im Rotor und Gehäuse wird der Kühlverlust
ein-er Verlustdichtuni- durch Undichtigkeiten el ausgeglichen. Aus Fig.
1 ist ersichtlich, daß die normalen Verlustdichtungen, wie sie bisher benutzt
worden sind, durch Kolbenringdichtungen 102 und 104 ersetzt wurden. Selbstverständlich
sind die Verlustdichtun-en der Nutenrotor-,vellen ebenso durch Kolbenrindichtungen
ersetzt, die in der Filg. 1 nicht sichtbar sind. Die Kompressorverlustdichtung
ist durch eine Kolbenringdichtung 118 ersetzt. Da diese Kolbenrin,-dichtungen
im wesentlichen die gleiche Konstruktion aufweisen, genügt es, die Dichtung 104
zu beschreiben, die in Fig. 2 in größereniMaßstab dargestellt ist. Aus der Figur
ist ersichtlich, daß die Welle 80 ein mit harter Oberfläche versehenes Lager
oder Dichtungsrohr 120 trägt, welches durch eine Mutter 122 gehalten wird und an
dem die Kolbenringe 124 und 126
zur Bewirkung der Abdichtung anliegen. Die
Ringe 124 und 126 sind durch Halteringe 128 und 130
umschlossen,
die den Radialdruck aufnehmen, der zwischen den Dichtflächen auftritt. Die Halteringe
sind zweckmäßig mit Halteteilen 132 verbunden. Hierdurch wird der Dichtungsring
genau mit den Dichtungsflächen ausgerichtet. Die Halteteile sind mit dem Gehäuse60
durch nicht dargestellte Befestigungsl-nittel verbunden. Die Kolbenringe werden
durch harnionikaartige Federn 136 nachgiebig gegen t' el die Anlageflächen
138 gedrückt, die an den Halteteilen 132 vorgesehen sind.
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Es kann aber auch zweckmäßig sein, andere Ausführungsformen von Kolbenringdichtungen
zu verwenden. Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsforrn, bei der eine radiale
Dichtfläche, gegen die der Kolbenring nachgiebig gedrückt wird, zwecks Erzielung
der Abdichtwirkung, vorgesehen ist. Bei dieser Ausführungsform besitzt das Abdichtrohr
120 eine radiale Dichtfläche 120 a, gegen die ein Kolbenring 140 nachgiebig durch
eine Feder 142 gedrückt wird. Die Feder 142 wirkt auf den Haltering 144. Der Kolbenring
ist am Umfang genutet und so entstehen radial getrennte Anlageflächen140a,140b und140c.
Auf diese Weise ist eine Axialbewegulig zwischen dein Haltering 144 und dem festgelegten
Halteteil 146
möglich, ohne Verluste zwischen den Teilen. Bewirkt
wird dies durch den Dichtungsring 148. Ein Führungszapfen 150 ist zwischen
dem Haltering 144 und dem Halteteil 146 vorgesehen.
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Der mittlere Durchmesser der mittleren Dichtungsfläche 140
b soll ungefähr dem äußeren Durch-Messer des Dichtun 'gsringes 148 entsprechen.
Infolgedessen ist zwischen dem Haltering 144 und dem Halteteil 146 eine relative
Axialbewegung möglich '
ohne daß zwischen den Teilen ein Verlust über die
Rin-dichtung 148 vorkommen kann. Die Dichtung b z21 wird um die Fläche 140b
herum im Gleichgewicht gehalten, so daß, auch wenn die innere oder die äußere Fläche
140a, und 140c beschädigt ist, diese bis zur Wiedereinstellung abgenutzt werden
kann.
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An dem Dichtungsring in Fig. 3 sei ein nach innen gerichteter
Verlust angenommen. Sofern der Verlust in der entgegengesetzten Richtung stattfindet,
sind Bohrungen 152, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind, an der inneren Rippe
angebracht sowie eine Anzahl Nuten 154 in- der äußeren Rippe.
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Mit Dichtungen, wie sie oben beschrieben sind, oder ähnlichen Dichtunggsmitteln,
die unter den Temperaturverhältnissen arbeiten, kann Verlustluft nicht zwischen
den Enden der Rotoren und den Gehäusewänden für Kühlzwecke eintreten. Es wurde indessen
festgtstellt, daß eine geeignete Kühlung der Endwände der Rotoren erreicht werden
kann, wenn ausgedehnte Kühloberflächen zur inneren Oberflächenkühlun,g der Rotorteile
verwendet werden.
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Die Systeme nach der Erfindung wurden in der Anwendung auf Werksanlagen
beschrieben, bei denen das Treibmittel aus Verbrennungsprodukten von Brennstoff
mit kornprimierter Luft in einem einzigen Verbrennungsvorgang besteht. Die Erfindung
beschränkt sich indessen nicht auf eine derartige Anwendung. Das komprimierte Medium
kann 7. B. auch aus einem Brenn-as bestehen, wie z. B. Hochofengas od. dgl.,
welches verbrannt wird, um das heiße Treibmittel zu bilden, wobei weiterer Brennstoff
zugesetzt wird. Es kann auch Luft komprimiert und in ein,-in Oberflächenerhitzer
aufgeheizt werden, um clas Treibmittel zu bilden. Außerdem beschränkt sich die Erfindung
nicht auf ein System, bei dem nur eine einzige Kompressionsstufe und/oder Verbrennungsstufe
vorgesehen ist. Die Erfindung ist in gleich-er Weise anwendbar, wenn mehrere Stufen
in Werksanlagen mit mehreren Einheiten vorhanden sind, wie es z. B. in Verbindung
mit Gasturbinen bekannt ist. Während bei den beschriebenen Ausführungsformen die
gesamte nutzbare Energie zur äußeren Belastung der Maschine infolge von mechanischer
Arbeit verwendet wird, kann indessen die Energie auch in anderer Form aus dem System
gewonnen werden, z. B. in Form von komprimierter Luft aus der Kompressorseite der
Maschine. Der Kompressor kann so groß ausgeführt en
werden, daß er die gesamte
Lüftun- der Kraft-Maschine aufnimmt und mehr komprimierte Luft erzeugt, als zum
Antrieb erforderlich ist.