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Brennkraftturbine mit umlaufenden Brennkammern und feststehendem Gehäuse
Bekannt ist eine Brennkraftturbine mit umlaufenden Brennkammern und feststehendem
Gehäuse, bei der durch exzentrische Lagerung eines Rotors zum Gehäuse ein sichelförmiger
Hohlraum entsteht, der durch am Rotor angeordnete, radial bewegbare Schieber in
gleiche Brennkammern, deren Zündzeitpunkt einstellbar ist, aufgeteilt ist und bei
der die Brenngase, tangential aus den Brennkammern ausströmend, auf einen eine Turbinenbeschaufelung
aufweisenden Läufer einwirken. Diese Brennkraftturbine hat im Aufbau und in dem
Funktionsablauf Ähnlichkeit mit einem Drehkolbenmotor. Der zur Verfügung stehende
Drehwinkel zum Ablauf der erforderlichen vier Funktionen, nämlich Ansaugen, Verdichten,
Verbrennen und Ausstoßen, ist aber sehr klein, so daß nur eine kurze Zeitspanne
für jede einzelne Funktion zur Verfügung steht. Die Drehzahl kann daher nicht über
ein bestimmtes Maß hinaus gesteigert werden. obwohl hohe Drehzahlen zum Erreichen
einer hohen Leistung bei geringem Gewicht wünschenswert sind.
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Daher besteht die Aufgabe bei einer Brennkraftturbine mit umlaufenden
Brennkammern und feststehendem Gehäuse darin, eine Vergrößerung des zum Ablauf jeder
einzelnen der vier erforderlichen Funktionen zur Verfügung stehenden Drehwinkels
und damit eine Erhöhung des Drehzahlbereiches zu erreichen.
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Dies ist bei der Brennkraftturbine gemäß der Erfindung dadurch gelungen,
daß die Brenngase, nachdem sie ihre Druckspitze an die Schieber abgegeben haben,
mittels einer sich über einen Winkel von 60° erstreckenden Schlitzreihe am Umfang
des im feststehenden Gehäuse in an sich bekannter Weise gleichsinnig wie der Rotor,
aber im Verhältnis 2 : 3 schneller rotierenden, den Rotor umfassenden, eine Verdichter-und
die Turbinenbeschaufelung aufweisenden Läufers auf die Turbinenbeschaufelung einwirken,
und zwar entlang eines 240° umfassenden Drehwinkels, während ebenfalls entlang eines
240° umfassenden Drehwinkels Frischluft durch die Schlitze der Schlitzreihe in die
jeweils hinter der Schlitzreihe liegende Brennkammer angesaugt wird.
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Der gesamte zur Verfügung stehende Drehwinkel zum Ablauf der vier
Funktionen ist damit doppelt so groß geworden wie bei der bekannten Brennkraftturbine,
und es ist damit auch die gewünschte erhebliche Drehzahlerhöhung erreicht worden.
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Anschließend sei die Erfindung an Hand der Abbildungen kurz beschrieben.
Es zeigt Abb. 1 die Brennkraftturbine in der Seitenansicht, Abb. 2 die Brennkraftturbine
in der Draufsicht, Abb. 3 die Brennkraftturbine im Längsschnitt C-D der Abb. 2,
Abb. 4 die Brennkraftturbine im Querschnitt A -B
der Abb. 1, Abb. 5 die Brennkraftturbiae
im Querschnitt E-F der Abb. 1, Abb. 6 den Turbinenläufer von oben, Abb. 7 den Turbinenträger,
Abb. 8 die Kraftstoffzuführung auf dem Turbinenläufer und Abb. 9 bis 19 die elf
Phasen des Funktionsablaufs. Ein Rotor 16, in welchem mehrere Schieber 6a,
6b, 6 c radial beweglich sind, ist in einem feststehenden Träger
1 mit feststehendem Gehäuse 4 exzentrisch gelagert. Er ist von einem
entsprechend ausgebildeten hohlen Turbinenläufer 2 umschlossen, der zentrisch zum
feststehenden Gehäuse 4 (Abb. 3) gelagert ist und sich im bekannten Verhältnis 2:3
schneller dreht als der Rotor 16. Der sichelförmige Hohlraum wird durch die Schieber
6a, 6b, 6 c in Brennräume 5 a, 5 b, 5 c geteilt. Wird der Rotor
16 in Drehung versetzt, so verringert sich die Größe von einem der Brennräume, das
eingeschlossene Kraftstoffluftgemisch wird komprimiert, 5 c (Abb. 9), und an der
Stelle Z gezündet. Die Verbrennungsgase drücken auf den vorausgehenden Schieber
6 c (Abb. 10) und vollbringen eine Arbeitsleistung, und der Brennraum 5 c vergrößert
sich wieder (Abb. 10 und 11). Hat der Brennraum 5 c sein größtes Volumen erreicht
(Abb. 12), stehen die Schieber 6 b bei X und 6 c bei Y in einer Wechselstellung;
denn der Anfang
A der Schlitzreihe 14 am sich schneller drehenden
Läufer 2 kommt in Verbindung mit dem Brennraum 5 c und läßt die Verbrennungsgase
durch den ersten Schlitz 14 auf die Turbinenbeschaufelung 10 (Abb. 3) ausströmen.
Der bisher geschilderte Vorgang ist bei Brennkraftturbinen mit umlaufenden Brennkammern
und feststehendem Gehäuse bis auf die Schlitzreihe14 bekannt (deutsche Patentschrift
678 271 und österreichische Patentschrift 196 053).
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Neu bei der Brennkrafttnrbine gemäß der Erfindung sind demnach die
Schlitzreihe 14 an der Außenwand des in bekannter Weise schneller rotierenden
Turbinenläufers 2, durch welche das Ausblasen und Einsaugen bewerkstelligt wird,
ferner ist neu die Steuerung der vier Funktionen durch die Kanten A und B der Schlitzreihe
14 im Verein mit den Schiebern 6 a, 6 b, 6 c, und es ist neu, die Brennräume
5 a, 5 b, 5 c auch im Querschnitt, d. h. in einer durch die Längsachse der
Turbine gelegten Schnittebene, sichelförmig auszubilden. Durch den damit erreichten
Wegfall zweier Kanten werden drei abzudichtende Flächen zu einer einzigen verbunden.
Damit ist eine bessere Abdichtung zwischen den Brennräumen erreicht worden; denn
die Mittelstücke der Schieber 6a, 6 b, 6 c können einer Blattfeder ähnlich vorgespannt
in dieser Form gestaltet sein, so daß sie unter leichtem Federdruck an der Läuferwand
anliegen und auch bei einer Abnützung dicht bleiben. Neu ist weiterhin die Anbringung
der Kraftstoff-Einspritzdüse 13 in dem sich schneller drehenden Turbinenläufer 2.
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In der Abb. 3 ist der Aufbau der Brennkraftturbine ersichtlich. Auf
dem Turbinenträger 1 mit Flansch und Befestigungslöchern unten ist der Turbinenläufer
2 drehbar gelagert. An dem Flansch ist mit der unteren Umlenkleitschaufelreihe
9 das Gehäuse 4 mit dem Turbinenkopf 8, das Vorgelege 7 mit der Welle
15 und mit der Kraftstoffzuführung 12 zentrisch befestigt. Im Turbinenträger 1(Abb.
7) ist die Rotorwelle 3 exzentrisch gelagert. Der in der Abb. 4 im Querschnitt der
Turbine sichtbare sichelförmige Raum zwischen dem Rotor 16 und dem Läufer 2 ist
durch die Schieber 6 a, 6 b, 6 c in die Brennräume 5 a, 5 b, 5 c geteilt.
Damit eine bessere Dichtungsmöglichkeit der Brennräume vorhanden ist, sind sie,
wie schon beschrieben, nach außen hin abgerundet. Die beiden Zahnradpaare 7 regeln
das übersetzungsverhältnis 2 : 3 zwischen dem Turbinenläufer 2 und dem Rotor 16.
In dem Turbinenkopf 8 hat die Rotorwelle 3 ihr oberes Lager. An der Gehäusewand
4 sind drei Reihen Leitschaufeln, die mit drei Reihen Turbinenschaufeln 10 an der
rotierenden Läuferwand zusammenwirken. Die Verdichterschaufeln 11 am Läufer 2 fördern
Kühlluft. Die Verbrennungsgase, die sich ausdehnen und einen größeren Raum beanspruchen,
entweichen durch die Turbinen- und Leitschaufeln 9 und 10; wobei sie an die Turbinenschaufeln
Energie abgeben.
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Die Kraftstoffleitung 12 wird durch eine Bohrung zwischen den beiden
Zahnradpaaren 7 hindurchgeführt, geht zwischen dem oberen Ende des Turbinenläufers
2 und der Rotorwelle 3 nach unten und wird mittels einem Röhrchen und einer Nut
der Düsenbohrung und Düse 13 zugeführt. Die Düse 13 bewegt sich bei der Rotation
auf der Linie I (Abb. 8) und ist im Winkel b hinter der Endkante
B der Schlitzreihe 14 angebracht. Sie ist während des Drehwinkels DII bis
D, (Abb. 9) durch eine Seitenfläche des Rotors 16 verschlossen. Nur während des
Drehwinkels D, bis DII ist sie offen, so daß nur während dieses Drehwinkels D, bis
DII Kraftstoff austreten kann. Die Schlitze 14 sind in den Abb. 3, 4, 6 und 8 als
neun nach unten gehende Öffnungen eingezeichnet, damit die Ausströmungsrichtung
der Verbrennungsgase auf die Turbinenschaufeln 10 gut veranschaulicht ist. Die Schlitze
14 können auch in ihrer Anzahl kleiner und in ihrer öffnungsfläche dafür größer
sein. Sie dürfen nur nicht breiter als die Schieber 6a, 6b,
6 c sein, damit
keine Verbindung zwischen zwei benachbarten Brennräumen entstehen kann.
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Zur besseren übersieht sind in den Abb. 9 bis 19 die Schlitze 14 als
fünf Öffnungen in der Wand des Läufers 2 eingezeichnet. Ferner ist in den Abb. 9
bis 19 die Lage einer Zündkerze 17 am Läufer 2 eingezeichnet.
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Dem Erfindungsgedanken liegt die Erkenntnis ,zugrunde, daß bei zwei
sich in einem bestimmten ganz, zahligen Verhältnis zueinander drehenden, aufeinanderliegenden
und exzentrisch zueinander gelagerten Flächen zwei übereinstimmende festgelegte
Punkte nach einer dem ganzzahligen Verhältnis entsprechenden Anzahl von Umdrehungen
an der Ausgangsstelle wieder aufeinandertreffen. In Graden au,-` gedrückt, macht
in derselben Zeitspanne bei einem 17bersetzungsverhältnis 2:3 die sich langsamer
drehende Fläche zwei Umdrehungen, also 720°, und die sich schneller drehende Fläche
drei Umdrehungen, also 1080°. Bei Aufteilung in drei Sektoren von je 920° dreht
sich jeder Sektar der beiden Flächen in der gleichen Zeitspanne um 240 bzw. 360°:
Folglich dreht sich ein Sektor der sich langsamer drehenden Fläche um 240°, bis
ein Punkt der sich schneller drehenden Fläche einen Weg von 360°, also eine volle
Umdrehung zurückgelegt und damit den Sektor von 120° der sich langsamer drehenden
Fläche ganz überstrichen hat. Damit jeder der sich über je einen Winkel von 120°
erstreckenden Brennräume während einer vollen Umdrehung des Rotors 16, z. B. von
Abb. 9 bis 14, offen bleibt, also mit der Schlitzreihe 14 des in der gleichen Zeit
eineinhalb Umdrehungen zurücklegenden Läufers 2 verbunden bleibt, muß die Schlitzreihe
14 sich über einen Winkel A, B von 63° erstrecken. Der Winkel von 63° ergibt
sich aus der 180° betragenden Differenz zwischen dem 540°-Drehwinkel der Vorderkante
A der Schlitzreihe 14 und dem 360°-Drehwinkel des Nachschiebers 6 a des Brennraums
5 b abzüglich des 117°-Bogenwinkels am Läufer 2 zwischen der Hinterkante
des Vorschiebers 6 b des Brennraums 5 b und der Vorderkante des Nachschiebers
6 a
des Brennraumes 5b.
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Jeder Schlitz muß schmäler sein, als ein Schieber breit ist. Der Turbinenläufer
2 und der Rotar 16 sind so zueinander einzustellen, daß die Vorderkante A der Schlitzreihe
14 mit der Vorderkante des nachlaufenden Schiebers dann gleichsteht, wenn der jeweilige
Brennraum mit dem Ausblasen beginnen soll, d. h., wenn er sein größtes Volumen erreicht
hat, wie es in der Abb. 9 für den Brennraum 5 b der Fall ist. Diese Stelle
ist mit X bezeichnet und bedeutet »öffnen« für den Brennraum 5b. Gleichzeitig
steht der dem Brennraum 5 b gegenüberliegende Schieber 6 c an der Stelle Z, an der
sich der Rotor 16 und die Innenwand des Läufers 2 fast berühren.
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Wird der Rotor 16 um 360° gedreht, z. B. in Abb. 9 bis 14, so stehen
alle drei Schieber 6a, 6b,
6 c wieder an derselben Stelle, der Turbinenläufer
2
hat sich aber im Verhältnis 2:3 um 180° weitergedreht (zu vgl.
Abb. 14), und die Endkante B der Schlitzreihe 14 steht an der nachlaufenden Kante
des Schiebers 6b. Diese Lage bedeutet »Schließen« für den Brennraum
5 b. Wenn die Vorderkante A der Schlitzreihe 14 am Läufer 2 an der
Stelle X den nächsten Brennraum des Rotors 16 öffnet, z. B. den Brennraum
5 b in der Abb. 9, beginnt für den Brennraum 5 b die Funktion »Ausblasen
aus dem Brennraum«. Dabei ist aber die Funktion »Einsaugen bis zum größten Volumen«
für den benachbarten Brennraum 5 a, die bereits während eines 120'-Drehwinkels
des Rotors 16 erfolgt, noch nicht beendet, sondern besteht noch während einer weiteren
120'-Drehung des Rotors 16 (zu vgl. Abb. 10). Während einer 120'-Drehung des Rotors
16 erfolgen also zugleich zwei Funktionen der Schlitzreihe 14. Mit anderen Worten,
so erfolgen während einer vollen Umdrehung des Rotors 16, also während eines 360'-Drehwinkels
zugleich zwei Funktionsabläufe über je einen 240'-Drehwinkel.
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Bei dem Verhältnis 2:3 der beiden Drehwinkel zueinander stehen die
Schlitze 14 demnach mit jedem Brennraum während eines Drehwinkels von 360' des sich
langsamer drehenden Rotors 16 in Verbindung. Der Brennraum 5 b hat in der
Abb. 9 sein größtes Volumen und ist gefüllt mit Abgasen. Der erste Schlitz
14 steht mit seiner Vorderkante A bei X an der Vorderkante
des Schiebers 6a. Der erste Schlitz 14 ist durch den Schieber 6a zu dem Brennraum
5a
hin schon verschlossen und beginnt sich nach dem Brennraum 5 b hin zu öffnen.
Der Schieber 6 c steht an der Stelle Z und der Schieber 6 b an der Stelle Y. Der
Turbinenläufer 2 wird gedreht, der Rotor 16 dreht sich langsamer, und zwar im Verhältnis
2: 3 mit. Die Vorderkante A des ersten Schlitzes 14 geht an dem Schieber 6a vorbei,
und die Abgase im Brennraum 5 b entweichen durch den ersten Schlitz 14. Wenn der
Schieber 6 a an der Stelle Y vorbeigeht (Abb. 10), haben sich bereits vier Schlitze
an dem Schieber 6 a vorbei in Richtung zum Brennraum 5 b hingeschoben, und
die Endkante B der
Schlitzreihe 14 zieht mit der Nachlaufkante des Schiebers
6a gleich.
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Über den Drehwinkel D, bis DII hat die Düse 13 Kraftstoff in den Brennraum
5 a eingespritzt und ist dann hinter der Rotorkante verschwunden, d. h. der Brennraum
5 a ist dicht abgeschlossen. Der Brennraum 5 c hat gezündet und expandiert. Der
fünfte Schlitz 14 tritt in 5 b ein, und durch alle Schlitze
14
entweichen aus dem Brennraum 5 b die Abgase. Der Schieber 6 b geht
an Z vorbei. Der Engpaß bei Z zwischen Rotor 16 und Läuferwand hält die Abgase auf
und drückt sie durch den letzten Schlitz 14 hinaus. Die Verdichterschaufeln
11 am Turbinenläufer 2
fördern ständig Luft, und diese spült die Abgasreste
nach unten weg, so daß hinter Z die Abgase entfernt sind, und daß dann Frischluft
durch die Schlitze 14 in die Brennkammer 5 b eingesaugt werden kann.
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In der Abb. 11 ist der Brennraum 5 b in zwei Hälften geteilt; durch
zwei Schlitze 14 wird Frischluft eingesaugt, der mittlere Schlitz 14 ist verschlossen,
und durch die zwei letzten Schlitze 14 wird der letzte Abgasrest ausgeblasen. Gleichzeitig
komprimiert der Brennraum 5 a, und die Kraftstoffdüse 13 überstreicht den
Schieber 6a. Die Schlitze 14 drehen in den zunehmenden Brennraum 5 b hinein,
so daß in diesen durch fünf Schlitze Frischluft eingesaugt wird. Dann schiebt sich
die Vorderkante A der Schlitzreihe 14 über den Schieber 6 b und erreicht (zu vgl.
Abb. 12) dessen Vorderkante. Der Brennraum 5 c wird damit geöffnet, und gleichzeitig
komprimiert der Brennraum 5 a. Der Turbinenläufer 2 dreht sich danach mit
den Schlitzen 14 über den Schieber 6b hinaus.
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In der Abb. 13 haben zwei der Schlitze 14 Verbindung mit dem Brennraum
5 c und blasen Abgase aus, der mittlere Schlitz 14 ist verschlossen, und durch zwei
weitere Schlitze 14 füllt sich der Brennraum 5 b vollends mit Frischluft.
Die Düse 13 öffnet bei D, und spritzt Kraftstoff in den Brennraum 5 b ein. Der Inhalt
des Brennraumes 5 a wird gleichzeitig gezündet.
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Die Endkante B der Schlitzreihe 14 erreicht in der Abb. 14 den Schieber
6 b und der Brennraum 5 b hat nach 360' = eine Umdrehung des Rotors 16 zwei
Funktionen, nämlich Ausblasen von Abgasen und Ansaugen von Frischluft, abgeschlossen.
Die Düse 13 steht dann bei DII, und der Brennraum 5 b ist dicht abgeschlossen. Der
Brennraum 5 a ,steht unter Expansionsdruck, der sich auf den Schieber 6 a
auswirkt und den Rotor 16 dreht. Der Brennraum 5 c bläst durch vier Schlitze 14
Abgase aus, der Rückstau drückt den Turbinenläufer 2 in der Drehrichtung, denn die
Brenngase treffen auf die Turbinenschaufeln 10 und treiben sie in der Drehrichtung.
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In der folgenden Abb. 15 komprimiert der Brennraum 5 b, der Brennraum
5 a expandiert weiter, und der Brennraum 5 c hat Funktionswechsel, nämlich von Ausblasen
von Abgasen auf Ansaugen von Frischluft.
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In der Abb. 16 steht der Schieber 6 c an der Stelle A, der Brennraum
5 a hat sein größtes Volumen erreicht, die Verbrennungsgase im Brennraum 5 a haben
ihren höchsten Druck an den Schieber 6a abgegeben, und nun entweichen sie durch
die Schlitze 14 und geben den restlichen Druck an die Turbinenbeschaufelung 10 von
der Stelle X bis zu der Stelle Z, also über einen Drehwinkel von 240' ab. Der Brennraum
5 c saugt gleichzeitig durch vier Schlitze 14
Frischluft ein, und der
Brennraum 5 b komprimiert.
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In dem Brennraum 5 b befindet sich schon die Zündkerze 17, die an
der Stelle Z die Mitte des Brennraums 5 b erreicht und in der Stellung zündet,
die in der Abb. 17 gezeigt ist. Die Zündung ist verstellbar, und zwar der im Gehäuse
4 angebrachte Kontaktgeber. Bei Z, ist Frühzündung und bei Z" Spätzündung (Abb.
9). Der Brennraum 5 a bläst durch zwei Schlitze 14 Abgase aus und der Brennraum
5 c saugt gleichzeitig durch zwei Schlitze 14 Frischluft ein.
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Unter der sehr starken Beschleunigung, der die Luft und die Kraftstoffteilchen
ausgesetzt sind, entsteht Reibungswärme, die bei hoher Drehzahl zur fortlaufenden
Selbstentzündung führen kann. Der Zeitpunkt der Selbstentzündung läßt sich durch
Veränderung des Abstands zwischen dem Rotor 16 und dem Läufer 2 an der Stelle Z
festlegen, und damit läßt sich auch festlegen, bei welcher Drehzahl die Selbstentzündung
einsetzen soll. Bei kalter Turbine und bei langsamer Drehzahl muß selbstverständlich
mittels der Zündanlage gezündet werden.
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In der Abb. 18 expandiert der Brennraum 5 b, und wie aus einem Trichter,
treffen im Brennraum 5 b
die Verbrennungsgase auf den Schieber 6 b
und drehen ihn und damit den Rotor 16 weiter. Der Brennraum 5 a bläst Abgase
aus; der Brennraum 5 c
hat sein größtes Volumen erreicht
und ist mit Frischluft und Kraftstoff gefüllt.
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Die Abb. 19 ist gleich der Abb. 9; in dem Brennraum 5 b haben sich
die Verbrennungsgase bis zum größten Raum ausgedehnt, der Brennraum 5 a saugt
Frischluft ein, und der Brennraum 5 c komprimiert.
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Der Brennraum 5 b hat demnach mit dem Rotor 16 in der Abb.
14 seine erste volle Umdrehung und die beiden offenen Funktionen, nämlich Ausblasen
der Abgase und Ansaugen von Frischluft, und in der Abb. 19 die zweite volle Umdrehung
mit den beiden geschlossenen Funktionen, nämlich Verdichten und Expandieren, hinter
sich gebracht.
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In dem gleichen Zeitraum macht der Turbinenläufer 2 bis Abb. 12 die
erste volle Umdrehung und vollführt dabei mit den Schlitzen 14 im Brennraum
5 b
die zwei offenen Funktionen, bis Abb. 16 macht der Läufer 2 die zweite
volle Umdrehung und vollführt dabei im Brennraum 5 c die beiden offenen Funktionen,
und bis Abb. 19 macht der Läufer 2 die dritte volle Umdrehung und vollführt dabei
im Brennraum 5 a die beiden offenen Funktionen. Dann wiederholt sich das gleiche
von vorn.
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In der gleichen Zeit haben drei Zündungen stattgefunden. Es erfolgt
nämlich jeweils eine Zündung nach einer 240°-Drehung des Rotors 16, also nach einer
360°-Drehung des Turbinenläufers 2.
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Folglich ist, wie eingangs erwähnt, für jede einzelne der vier Funktionen
ein sehr großer Drehwinkelbereich vorhanden, wie ihn bis jetzt noch keine bekanntgewordene
Verbrennungsmaschine zur Verfügung hat. Das Ausblasen geht (zu vgl. Abb. 9) von
X bis Z gleich einem Drehwinkel von 240°, und die Verbrennungsgase können dabei
tangential frei ausströmen und treffen unbehindert und unabgelenkt mit voller Wucht
auf die Turbinenschaufeln 10 auf. Ebenso erstreckt,sich das Einsaugen von Frischluft
von Z bis Y über einen Drehwinkel von 240°. Dadurch ist genügend Zeit vorhanden,
damit sich ein Brennraum auch bei sehr hoher Drehzahl mit Frischluft, die unbehindert
einströmen kann, füllen kann. Es sei festgestellt, daß die Stellung Z unverrückbar
ist, während die Lage des Punktes X verlegt werden kann. Soll nämlich eine sehr
hohe Drehzahl erreicht werden, dann kann die Stellung X, also der Beginn der Funktion
»Ausblasen aus dem Brennraum« in Bogenrichtung zu Z hin verlegt werden; dann muß
aber der Winkel A, B der Schlitzreihe 14 bei A vergrößert werden.