DE1476926A1 - Einkammer-Explosions-Turbine - Google Patents

Description

Heinrich U t ζ , 83 Landshut» Ostendstraße 3/o Einkammer - Explosions - Turbine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einkammer-Explosions-Turbine, die sowohl hinsichtlich ihrer Bauweise, als auch ihrer Arbeitsweise, gegenüber bekannten Einkammer Brennkraftturbinen wesentliche Besonderheiten aufweist.

Als wesentliche Besonderheiten in der Bauweise besitzt der Erfindungsgegenstand eine mit Ventilen (Scheiben-, Klappen-, RLng- oder Flatterventilen) an einem Ende und mit radialen Leitkanälen (in der Wirkung gleich wie Leitschaufeln) am anderen Ende versehene Explosionskammer, sowie ein Turbinenlaufrad, das sowohl als solches, als auch als Gebläse dient, da es an seiner Stirnseite radiale Turbinenschaufeln aufweist und wellenseits mehrere, an sich bekannte radiale Gebläseflügel. Außerdem besitzt die Turbine einen Luftvorratsbehälter, der die Explosionskammer an seiner Mantelfläche und am Ventilkopf umschließt und ein Mehrfaches des Inhalts der Explosionskammer faßt. In der Bauweise ist der Erfindungsgegenstand eine reine Turbine.

In seiner Arbeitsweise dagegen ist der Erfindungsgegenstand den bekannten Kolbenmotoren ähnlich, da in der Explosionskammer mehr oder weniger kurz aufeinanderfolgende, durch Ventile unterbrochene, explosionsartige Verbrennungen erfolgen und nach jeder Explosion die Kammer wieder frisch mit Gas-Luftgemisch gefüllt wird. Die Brennkammern der bekannten Brennkraftturbinen weisen selbst weder Ventile noch Leitkanäle oder Leitschaufeln auf und es erfolgt in ihnen eine mehr oder weniger intensive Dauerverbrennung eines Kraftstoff-Luftgemisches.

Der Erfindungsgegenstand ist für den Antrieb von Kraftfahrzeugen, anderen Fahrzeugen sowie von Arbeitsmaschinen gedacht. Als Kraftstoffe können brennbare Gase, flüssige oder feste Kraftstoffe verwendet werden· Gase können un- I mittelbar verwendet werden. Flüssige Kraftstoffe müssen erst unter Nutzung der Abgas- und Strahlungswärme vergast werden. Bei festen Kraftstoffen (Holz, Kohle u. dglch.) muß durch den Betrieb eines zusätzlichen Gebläses (Antrieb erfolgt durch Turbine) erst Gas erzeugt werden.

Der wesentliche Vorteil des Erfindungsgegenstandes gegenüber bekannten

Brennkraftturbinen besteht vor allen Dingen darin, daß die Verbrennungsgase co
ο durch die Verbrennungsgasdtisen, die Bestandteil der Explosionskammer sind, _oo die Laufradschaufeln direkt beaufschlagen und dadurch kaum Energie verlieren, während sie bei den bekannten Brennkraftturbinen erst Ringkammern und Leit- *-» schaufelkränze durchströmen. Desgleichen wird nur möglichst genau abgestimm-

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j^ tes Gas-Luftgemisch verwendet, wodurch eine ziemlich restlose Verbrennung

^ gewährleistet ist. Weiter ist für das Turbinenlaufrad und für die Explosionskammer die Verwendung von weniger hitzebeständigem Material möglich, da das Turbinenlaufrad wegen der Ausführung als solches und als Gebläse durch die

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ständige Förderung der frischen Verbrennungsluft laufend gekühlt wird und desgleichen die Explosionskammer nach jeder Explosion :.iit relativ frischen Gas-Luftgemisch gespült. wird. Außerdem wird die Explosionskanuner außen ständig von der Verbrennungsluft ia Vorratsbehälter gekühlt. V/eiterhin wird die Antriebswelle mit Lagerung", nicht von der Strahlungsvrlrme der Brennbezw. Explosionskamner beeinflußt.

Der Erfindung^·regenstand kann nur als E±nkarn":.:er-Turbine ausgeführt v/erden. Es ist jedoch möglich mehrere Turbinen gleicher Ausführung (2-%) uh einen Untersetzungszahnkrens anzuordnen und die Sunr.e der einzelnen Leistungen von der untersetzten Hauptantriebsv/elle abzunehmen.

Die Wirtschaftlichkeit der Turbine wird durch das möglichst gen.™ abgestimmte Gas-Luft fersisch und die dadurch relativ sehr hohe 3;:niosxQncenergie gewährleistet. Für die 7/irtschaftlichkeit ist es daher auch von Bedeutung, flt daß die Verbrennungsluft von mindestens zwei Seiten (bei Scheibemventilen von allen Seiten) in die Explosionskacner einströmt, da durch, die entgegengesetzten Luftströmungen eine bestmöglichste Vermischung von Verärejinungcluft und Gas und dadurch wiederum eine intensive Verbrennung stattfindet. Bei der Bauausführung ist es auch außerordentlich wichtig, daß die einzelnen Bauteile, wie Länge und Durchmesser der Sirplosioriskaumer, SröZe der Luftansaugöffnungen und der Ventile, Querschnitt dor V^rbreniiungSigtrcdüGen, Größe der Gadüsen, Durchmesser des Turbinenschsufelkr^iises und Flllche und Anstellwinkel der Schaufeln, Fläche der Gebläse flü-el und DurcIiseciDr dec Gebläseflligell-ranzes, lichte »Veite der Sssabaursctutzo:- u.a.m. rear-ι■";-;;or.c aufeinander abresti.ar.t v:er:ien.

. Die der Beschreibung bei';s:"ebeiic3. Zeichnungen scigen:

Fig. 1 einen AxaäLsc'iaitt durch eine Turbine nach der ZriirLC-ung; * Fig. 2 einen Querschnitt A-3 durch die Turbine nach Fig. 1; Fig. 3 einen Querschnitt C-D durch die Turbine nach ZFi". 1; Fig. A- einen Querschnitt des Ventllliopfes in einer Ausführung sit Eürjr^en-

ventilen;
,Fig. 5 einen Querschnitt des Ventilkopf es in der Ausführung-mit einem

Ringventil,
Die Ventilköpfe müssen nicht aufgesetzt sein, sie können auch 3it -uer 3:r-

plosionskammer ein Stück bilden. Flatterventile und ihre evtl. Anordnung im co
ο Ventilkopf wurde nicht dargestellt.

oo Im feststehenden zweiteiligen Gehäuse 1 ist in einem Teil (Lagerteil) die

-j Antriebswelle 2 des kreisförmigen, schiTbenartigen Turbinenlaufrades 3, das

ο an seiner Stirnseite die radialen Turbinenschaufeln if und wellenseits die ⁴^ Gebläseflügel 3 aufweist, drehbar gelagert. Im anderen Teil das Gehäuses 1 cd (Explosionskammerteil) ist die als Hohlsylinder (im weitesten Sinne) ausgebildete Explosionskammer 6 so,angebaut, daß die radialen Verbreaaiiiigegas-

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düsen 7 von den Turbineusciiaufeln ¹^ umschlössen werden und der Ventilkopf

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cxial entgegengesetzt der Antriebswelle 2 liegt. Zur Stabilisierung der Bauweise ist die Explosionskammer 6 mit dem Ventilkopf 8 im Luftvorratsbehälter 9 unter Berücksichtigung einer Wärmeausdehnung gelagert. Im vorliegenden Falle ist als Ventil Io ein Scheibenventil angeordnet. Ein zweiteiliges Zwischenstück 11, das am Lagerteil des Gehäuses 1 angebaut ist und das eine Vermischung von frischer Verbrennungsluft und Abgasen verhindert, weist eine Anzahl von Luftumleitungsdüsen 12 auf, durch die die Verbrennungsluft von den radialen Luftkanälen 16 durch den Abgasraum 13 in den Luftvorratsbehälter 9 gedruckt wird. Die Luftuanleitungsdüsen 12 sind außerdem im üxplosionskammerteil des Gehäuses 1 so befestigt, daß ein Eindringen komprimierter Luft aus dem Luftvorratsbehälter 9 iß den Abgasraum 13 nicht möglich ist.· Auch die Explosionskammer 6 ist an ihren Gehäuseteil so angebaut, daß eine Vermischung von Verbrennungsgasen mit komprimierter Luft im Luftvorratsbehälter 9 ausgeschlossen ist.

Beim Anlassen des Turbinenlaufrades 3 durch einen nicht dargestellten Anlasser, der beispielsweise auf das Untersetzungszahnrad oder direkt auf das Antriebsritzel IZf wirken kann, wird über das Luftfilter Zk und die Luftansaugöffnungen 15 in» Lagerteil des Gehäuses 1 durch die ro tierenden Gebläseflügel 5 frische Verbrennungsluft angesaugt und durch die radialen Luftkanäle 16 und die Luftumleitungsdüsen 12 in den Luftvorratsbehälter 9 gedrückt. Vom Luftvorratsbehälter 9 strömt die Verbrennungsluft über das Ventil 1o, das vordem durch Federdruck geschlossen war (bei Klappenventilen teils durch Federdruck, teils durch Eigengewicht, Je nach Anordnung), in die Explosionskammer 6· Kurs nach Durchströmen des Ventils Io wird der Verbrennungsluft aus Gadüsen 17 Gas (Kraftstoffgas) zugesetzt. Im weiteren Strömungsverlauf in der Explosionskanraer 6 gelangt nun dieses hochexplosive Gas-Luftgemisch an die Glühkersen 18 und es entzündet sich. Der leichteren Zündung wegen ist der lichte Querschnitt der Explosionskammer 6 am Sitz der Glühkerzen 18 etwas verringert. Me Verbrennung des Gas-Lu ft gemisches erfolgt nach Zündung explosionsartig und die" nun hochgespannten Verbrennungsgase können aus der Explosionskanner C ?.<?£«·η des eich im Moment des Druckausgleichs zwischen Verbrennungspasen und der verdichteten Luft im Luftvorratsbehültor 9 schlitfiecvden Ventils Ic nur lurch >iie Verbrennungsgasdüsen 7t die rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben und sich reair.l nach außen zuerst verengen und dann wieder erv-vltern (Wirkung ähnlich Lavaldüsen) mit hoher Geschwindigkeit in die Zwischenräume der radialen Turbinenschaufeln L streuen und diese beaufschlagen, wobei sie ihre kinetische Energie an das Turbinenlaufrad 3 abgeben und dieses in Drehung versetzen. Die so erzeugte Kraft wird dann über die Antriebswelle 2 und das Antriebsritzel \k abgenommen. Der Verteilerke£el V? verteilt öle Verbreii:-Tiii£S£ss6 gleichmäßig auf die Verbrennungsgasdüsen 7. Nach Abgabe ihrer Energie ströiaen die Verbren-

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Wendung von flüssigem Kraftstoff) und die Luftumleitungsdüsen 12, einmal zur Verdampfung oder Erhitzung des Kraftstoffs und das andere Mal zur Erhitzung der frischen Verbrennungsluft (Wärmetauscherprinzip), beaufschlagen, bevor sie über die Abgaa&utzen 21 stark abgekühlt (großes thermisches Gefalle) ins Freie oder in einen Abgassammeitopf (nicht dargestellt) strömen.

Nach Entspannung der Verbrennungsgase sinkt der Druck in der Explosionskammer 6 zwangsläufig, da die Verbrennungsgase, sobald deren Geschwindigkeit die Umfangsgeschwindigkeit des Turbinenschaufelkranzes unterschreitet, von den Turbinenschaufeln k abgesaugt und in den Abgasraum 13 gedrückt werden. Durch den so erzeugten Unterdruck in der Explosionskammer 6, sowie durch den überdruck der frischen Verbrennungsluft im Luftvorratsbehälter 9> während der Explosion wurde ja die vordem in lie Explosionskammer 6 eingeströmte Luft ergänzt, öffnet sich sofort wieder das Ventil 1o und die Kammer wird wieder mit frischem hochexplosiven Gas-Luftgemisch gefüllt, nachdem bei der vorangegangenen Explosion auch das Gas in den Gaädüsen 17> dem Gasverteilerstück 22, in der dazugehörigen Gasleitung 23 und zum Teil auch in der Kraftstoffleitung 2o komprimiert wurde, das sich sofort mit der eintrömenden Verbrennungsluft vermischt. In der Kraftstoffleitung 2o ist unmittelbar nach dem Kraftsto ffpumpenausgang ein Rückschlagventil eingebaut, damit sich der jeweilige Rückstau bei der Explosion nicht schädlich auf die Pumpe auswirkt. Das frisch einströmende Gas-Luftgemisch entzündet sich nun im weiteren Strümuifsverlauf wiederum an den Glühkerzen 18 und der Zyklus beginnt aufs Neue. Die Zündung des Gas-Luftgenisches kann natürlich auch durch einen elektrischen Zündfunken erfolgen, dessen Auslösung evtl. mit dem öffnen und Schließen den Ventils 1o gehoppelt ist; ebenso kann das Einströmen des Gases rr.it den: Öffnen und Schlichen des Ventils 1o gekoppelt sein. Die zeitliche F: 1^e der einzelnen Explosionen ist abhängig von der Drehzahl des Turbinenlauiradec 3, sowie bei 3crelun£ der Frischluftzufuhr und der Abgase auch von dioser.

Die Turbine kann auch als reine Saugturbine ausgeführt werden, bei der die Bauteile Verbrennungsluftvorratsbehälter 9» das zweiteilige Zwischenstück 11, die Luftumleitungsdüsen 12, die Gebläseflügel 5 und das Gehäuse 1 in zweiteiliger Ausführung entfallen würden, Bei dieser 3auaucführung würden nach jeder Explosion die entspannten Verbrennungsgase von den Turbinenschaufeln h abgesaugt und ausgestoßen und gleichzeitig über das Ventil 1o und die Gasdücen 17 frische Verbrennungsluft mit Gas angesaugt und anschließend an den Glühkerzen 18 cezündet. Die Leistung dieser Turbine wäre jedoch bei gleicher Drehzahl geringer, da die zeitliche Folge der einzelnen Explosionen niedri-*, ger liegen würde und die Easrcier unvollkommener gefüllt wäre, da die Füllung nur auf Sog beruht und nicht auf Druck v/ie bei Ausführung mit Gebläse. Der Leictunr wsren ist daher die Ausführung mit Gebläse verzuziehen.

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Allgemein ist noch anzuführen, daß eine Erhitzung der Verbrennungsluft vor Eintritt in die Explosionskammer 6 nur insoweit erfolgen darf, als eine Selbstzündung des Gas-Luftgemisches vor Zündung durch die Glüh- oder Zündkerzen nicht erfolgt, da sonst die Kammerfüllung mangelhaft ist und dadurch die Leistung der Turbine gemindert wird.' Es finden dann nur relativ leistungsschwache Flimmerexplosionen statt. Gegebenenfalls müssen daher schwerer entflammbare Kraftstoffe wie Petroleum, Dieselkraftstoff oder Heizöl verwendet werden. Eine Drehzahl- und Leistungsregulierung" erfolgt am einfachsten durch Regulierung der Gas- oder Kraftstoffzufuhr. Gleichzeitig damit kann auch die Frischluftzufuhr oder der Gasabzug reguliert werden. Zu erwähnen ist noch, daß vor dem Anlassen der Turbine elektrische Heizspiralen 25 den Vergaserring 26, einen ringförmigen Einsatz aus gut wärmeleitendem Material im Verbrennungsgasdüsenteil der Explosionskammer 6, erhitzen. Beim Anlassen wird nun flüssiger Kraftstoff durch die Kraftstoffpumpe (Zentrifugal- oder Zahnradpumpe) in feinem Strahl auf diesen Vergaserring 26 gespritzt und sofort vergast. Somit steht beim Start der Turbine sofort hochexplosives Gas-Luftgemisch zur Verfügung. Flüssiger Kraftstoff kann aber auch dadurch vergast werden, daß die Kraftstoffleitung auf einer bestimmten Länge zwischen Kraftstoffpumpe und Anschluß der Kraftstoffleitung am Gehäuse 1 (nicht gezeichnet) durch elektrische Heizspiralen erhitzt und dadurch der Kraftstoff in der Leitung beim Anlassen sofort vergast wird. Letztere Ausführung ist einfacher und hat den Vorteil, daß bei defektem Glühdraht die Heizspirale ohne Zerlegen der Turbine ausgewechselt werden kann. Für den Start können auch noch Heizspiralen in den Luftvorratsbehälter 9 zur Erwärmung der Verbrennungsluft eingebaut werden. Nach dem Start werden diese Heizspiralen wieder abgeschaltet, da die Vergasung des Kraftstoffes (nur bei flüssigen Kraftstoffen) und die Erhitzung der Verbfcennungeluft weiterhin durch die Abgase erfolgt. Um einen zu starken Drehzahlabfall zwischen den einzelnen Explosionen zu vermeiden, muß das Turbinenlaudrad 3 eine bestimmte Masse (Schwunggeeicht)baben. Das Luftfilter 2if ist zweiteilig und wird auf den Lagerteil des Gehäuses 1 aufgesetzt und mit Spannfedern zusammengehalten. Eine Bremswirkung der Turbine ist am zweckmäßigsten auf hydraulischem oder elktrodynamischem Wege zu erzielen, auf alle Fälle ohne Abnützung mechanischer Bauteile. Bei der umgekehrten Übersetzung zur Turbine wird bei bereits geringer Bremswirkung im Bereich der Antriebswelle, z.B. bei Kraftfahrzeugen, eine hohe Bremswirkung an den Antrieberädern erzielt. Im übrigen ist noch darauf hinzuweisen, daß fast sämtliche Bauteile der Turbine Drehteile sind und daher in der Herstellung relativ einfach. Die Turbine ist noch sehr entwicklungsfähig.

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Claims (2)

1. . Einkammer-Explosionsturbine, "dadurch 2elm.n2eich.net, da?, die als Hohlzylinder von bestimmter Länge und besti.asteia Durchmesser auc-ebildete Explosionskanraer 6 mit einem.Ende seines geschlossenen Hantele in einen Teil des zv/eiteiligen Gehäuses 1, deia Turbinenlaufrad 3 rait Antriebswelle 2 axial entgegengesetzt eingebaut ist und daß die Stirnseite des an diesem Ende verstärkten Mantels gleichnäßig verteilte, sich radial von innen nach außen verengende und. -Bieder erweiternde, ±n Querschnitt rechteckige oder quadratische Verbrennuncsgasdüsen 7 aufweist, durch die die sich entspannenden Verbrei.minrs-ase strömen, und daii das freie, aus dem Gehäuse 1 herausragende Ende des Hohlayiinders einen Vontil-'cr»f S trägt, bei dem durch mindestens» 2 gegenüberliegende Ventile Io (Sclieiben-, Klappen-, Ring- oder Flatterventile) Verbrennungsluft radial unter Druck (bei Scheiben- und Singventilen von allen Seiten) in die 3r losionskasuier 6 einströmt und die Verbrennungsluft unmittelbar nach ö.on Ventilen 1 ο mit Gas (Kraftstoff^as) aus Sasdüsen 17 veriiiischt isir^f'.
2. 2. Ausführunp;sform der Turbine nach. Anspruch I₁ dadurch gelrennaeichne t, daß das kreisrunde sclieibsnföraige "JurbinenlauTrad 3 an seiner Stirnseite radial verloufonde ange;vlnlielte Turbine:i3chaufeln h aufv-'eict und v;ellenseits an sich bekennte Gebläseflü^el 5>, 30 :1a" ec ao~chl alc Turbinenlaufrad, als auch als Gebläse (Verdichter) '"iezit.

   3· Aus füh rungs form der Turbine nach Anspruch T₁ dai.v.rch -Glisn-isei-cVii'rt,

   daß die geförclerts ". srjrei'-aungEluf t von Gc-bläco iziclit y.n;-it^olb^r i.x dio Sxplosionskanmer 6 gedrüclit viird, sondern in deu Luf tvorratebeh^lt ^r 9 j der an den Sxplosionslisi⁷! :erteil des Gehäuses 1 a^ob'^c ist -a:zd -.':'.ο Sx- ψ plosionskanmer 6 an ihrer Kcuit öl fläche soväe an Ventil":.opf -J- -anschließt

   und ein Vielfaches des Volumens der Sx^Iosionskaa".3r j beinhaltet.

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