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Titel: Zwillingsturbinenmotor hnwendungsgebiet: Die Erfindung betrifft
einen Zwillingsturbinenmotor mit Ausgleichsgetriebe, insbesondere als Turbinenmotor
für Fahrzeugantrieb und Stationärmotor bzw. als urbinenkompressor.
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Stand der Technik: Um die Schubkraft der sich ausdehnenden Gase in
zweckmäßige Drehkraft umzuwandeln, werden hierzu bei Kolbenmotoren, Pleulstangen
und Kurbelwellen verwendet oder wie bei Turbinen die sich ausdehnenden Gase wirken
direkt auf die Turbinenblätter in radialer oder achsialer Richtung und werden zu
Drehkraft umgewandelt. Der Wirkungsgrad derartiger Motoren ist durch verschiedene
Verlustfaktoren wie Reibungsbelastung, Trägheitsmoment der Kolben, und Pleulstangen
bei Kolbenmotoren sowie ungenügende Ausnutzung der Schubkraft der sich ausdehnenden
Gase bzw. dessen Rückwirkung auf das neuzuzuführende Gas, wegen ungenügend umschlossenen
Verbrennungsraum stark eingeschränkt.
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Aufgabe: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schubkraft
der sich ausdehnenden Gase in höherem Grade als Nutzenergie zu verwerten, indemwesentliche
Verlustfaktoren derzeitiger Konstruktionen ausgeschaltet bzw. reduziert werden.
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Lösung: Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen zwei oder mehrstufigen
Turbinenmotor gelöst, dessen Hauptstufe (2) aus zwei zu einander parallel gelagerten
Turbinenwalzen bestehen, die mit einem Ausgleichsgetriebe (3) aneinander gekoppelt
und so gestaltet sind, daß der Turbinenflügel (12) der einen Turbinenwalze (lla)
in das zwischen zwei Turbinenflügel der anderen Turbinenwalze (11b) befindliche
gompressionskammer (15) bei entgegengesetzter Drehbewegung, die beide Turbinenwalzen
(lla u. llb) hineinrollt, sodaß duroh die Stirnfläche der Turbinenflügel
(12)
und die Wände der Kompressionskammer (13) einen abgeschlossenen Raum gebildet wird,
dessen seitliche Abgrenzung die Seitenwände (4) des Turbinengehäuses sind. Die radiale
Innenfläche der Turbinengehäuse entspricht der Umlaufperiferie der ineinamdergreifenden
Turbinenwalzen (lla, llb). Somit entsteht in der Kompressionskammer (13), wenn der
Turbinenflügel hineinrollt, eine Volumenverkleinerung bzw. bei entsprechender Drehzahl,
ein Verdichtungseffekt. Dieser abgeschlossene Zustand der Kompressionskammer (13)
bleibt bestehen während der Drehbewegung, die beiden Turbinenwalzen (11) von einer
Peripherieschnittlinie bis zur anderen Peripherieschnittlinie der Turbinenflllgel
(12) und ermöglicht die asymetrische Verlagerung in der Kompressionskammer (13)
befindlichen Gasgemische in komprimiertem Zustand von einer Seite auf die andere
Seite der Verbindungslinie die Turbinenachsen, wo die Zündung erfolgt und die dadurch
entstandene Schubkraft wirkt als direkte Drehkraft auf die TurbinenflUgel (12).
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Um die auf diese Weise auf zwei zueinander parallel gelagerten Jedoch
im entgegengesetzten Sinn sich drehenden Wellen (19a)tl9b) erzielte Drehkraft auf
eine gemeinsam dritte Welle (17) zu übertragen, ohne debot die Synkronisierung die
der Turbinenwalzen (lla, leib) dienenden Stirnzahnräder zu belasten, werden Zahnräder
(20) sowohl mit Stirnverzahnung (22) wie auch mit seitlicher Kegelverzahnung (21)
verwendet, deren ineinandergreifende Stirnverzahnung (22) zur Synkronisierung der
Turbinenwalzen (lla,llb) bestimmt sind. Die Kegelverzahnungen (21) werden mit einer
auf rechtwinklig zur Turbinenwelle (19a,19b) gelagerten Welle (17) befindlichen
Doppelkegelzahnrad (18) das auf beiden Seiten mit Verzahnung versehen ist, 90 gekoppelt,
daß die je zwei ftir sich bestimmten Verzahnungen gleichmäßig ineinandergreifen.
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Aufdiese Weise erfolgt die Eraftübertragung von zwei zu einander
parallel gelagerten, jedoch im entgegengesetzten Sinn sich drehenden Wellen (19a,19b)
ohne gegenseitige Belastung oder Dazwischenschalten eines Umkehrrades auf eine dritte
Welle (17).
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Vorteile: Die Vorteile dieser Erfindung liegen in der besseren Verwertung
der Schubkraft der sich ausdehenden Gase, indem es als direkte Drehkraft wirkt.
Die direkte Wirkung der sich ausdehnenden Gase ist bei Kolbenmotoren zwar größer
wegen der besseren Dichtungsverhältnisse aber die Umwandlung der gradlinigen Kolbenbewegung
in Drehbewegung der Kurbelwellen ist mit erheblichem Energieverlust verbunden. Auch
das neu zu komprimierende Gasgemisch erfordert die selbe Kraftumwandlung in entgegengesetzter
Richtung und bleibt selbst bei diesen Motoren der Wirkungsgrad unter 50 %. Die Präzision,
die bei der Herstellung der Turbinenwalzen (11) erforderlich ist, fällt bei dem
heutigen Stand der Technik nicht erschwerend ins Geweicht, wird aber durch die Tatsache
aufgewQgent daß bei diesem Turbinenmotor außer der iahnradübersetzungen und Lagerhaltung,
die Turbinenwellen so gut wie keine Verschleißteile sind. Die Vorteile der Erfindung,
der mir bekannten Turbinenmotoren liegen darin, daß die Verbrennung der Gasgemische
in einer relativ gut umschlossenen Kompreßsionskammer (13) bei höheren Dichtungsverhältnissen
vorgenommen wird, wodurch die Schubkraft besser genutzt werden kann bzw. eine größere
Wirkung -hat. Die Vorteile der Ausgleichsgetriebe (3) liegen darin, daß die beiden
Turbinenwellen (19a,19b) die wechselseitig auftretende Drehkraft unabhängig von
einander auf eine dritte Welle (17) übertragen können ohne ein Umkehrrad zu verwenden,
das zwangsläufig eine Sektorenverschiebung der Turbinenwalzen (11) herbeiftiliren
werden.
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Beschreibung: Die Erfindung ist in den Zeichnungen auf Blatt 1 in
drei Schnitte dargestellt; Figur 1 Querschnitt, Figur 2 Horizontalschnitt, Figur
3 Längschnitt.
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Ferner die Zeichnungen Blatt 2, die den Ablauf der wichtigsten Betriebsphasen
in fünf Bildern schematisch darstellen Figur 4 bis 8. Die Erfindung ist ein zwei-
bzw. mehrstufiger Turbinenmotor. Die Vorstufeen bestehen aus herkömmlichen, übersetzten
Radial- oder Achsialverdichtern (1) deren Aufgabe ist, die Frischluft vorzuverdichten
lind zu den Eintrittsöffnungen (16) der Hauptstufe zu leiten. Diese Aufgabe kann
auch von einem Turbinenwalzenkomplex erfül] t werden, der den in den Hauptstufen
befindlichen Turbinenwalzen entspricht. Zu diesem Zweck werden das untere Drittel
der Gehäuse der Vorstufen offen gelassen, etwa in Höhe der Linie wo die Turbinenflügel
beginnen, sich aus der Kompressionskammer zu entfernen. Die Kompresse onskammern
haben keine Durchströmungskancile (14). In der Seitenwand der Vorstufe befindet
sich an der oberen Peripherieschnittlinie ein Ansciiluß durch den die komprimierte
Luft zu den Eintrittsöffnungen (16) der Hauptstufe (2) geleitet wird.
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Die Hauptstufe (2) besteht aus zwei Turbinenwalzen (lla,llb) die auf
gleichgroßen gradzahligen Sektoren eingeteilt sind. Die einzelnen Sektoren bilden
abwechselnd den Turbinenflügel (12) und die Kompressionskammer (13). Die beiden
Turbinenwalzen (11) sind so zueinander parallel gelagert, daß die Umlaufperipherle
der Turbinenflügel sich überschneiden und die Stirnfläche der Turbinenflügel bis
auf einen geringen Spielraum vollständig in die Kompressionskammer (13) hineinrollt.
Die radiale Innenfläche der Turbinengehäuse (5) entspricht der Umlaufperipherie
der Turbinenflügel (12). Bei sorgfältigem Einpassen der Turbinenwalzen (lla,llb)
kann auf eine Abdichtung, zwischen Turbinenwalzen (11) und Turbinengehäuse (4) (5)
mittels Dichtleisten bzw. Dichtringen verzichtet werden, da die Rückstauung im Nabenhohlraum
(6) der Turbinenwalzen einen ausreichenden Verzögerungseffekt hervorruft, um einen
wesentlichen Druckverlust in den Kompressionskammern (13) zu vermeiden. Auf Blatt
2 der Zeichnung sind die wichtigsten Betriebsphnsen
in fünf Figuren
dargestellt: Position 1 Figur 4 Die Kompressionskammer (13) wird mit vorverdichteter
Luft geladen.
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Position 2 Figur 5 Die Kompressionskammer (13) befindet sich in Höhe
der Einspritzdüsen (8) und spritzt Kraftstoff in die Kompressionskammer. Der Turbinenflügel
(12) der anderen Turbinenwalze (leib) rollt in die Kompressionskammer (13) hinein,
schließt es ab und das eingeschlossene nunmehr stark komprimierte Gasgemisch wird
durch die Durchströmungskanäle (14) in der sich vergrößernden Seite der Kompressionskammer
(13)gedrückt.
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Position 3 Figur 6 Der Turbinenflügel (12) entfernt sich aus der Kompressionskammer
(13) und gibt den Weg frei für die Zündkerze zu dem Gasgemisch. Bei niedriger Drehzahl
oder bei Verwendung eines Kraftstoffs dessen Brennschlußgeschwindigkeit sehr hoch
ist, erfolgt die weitere Zündung durch Rückbrennen. Daher ist der Durch strömungskanal
(14) so kurz zu gestalten, daß ein Rückbrennen über die Verbindungslinie zwischen
den beiden Turbinenachsen nicht hinausgreifen kann.
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Position 4 Figur 7 Die Kompressionskammer (13) befindet sich über
der Austrittsöffnung (15) der in der Kompressionskammer (13) befindliche Druck entweicht.
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Position 5 Figur 8 Die Kompressionskammer (13) überbrückt die Eintrittsöffnung
(16) und die Austrittsöffnung(l5), die vorverdichtete Frischluft drängt die zurückgebliebenen
verbrannten Gase aus der Kompressionskammer (13) durch die Austrittsöffnung (15)
und jetzt erfolgt der Buf taustausch.
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Da die Turbinenwalzen (11) keinen Kontakt zu dem mit Luft oder Wasser
gekühltem Turbinengehäuse (5) haben, werden die gesamten Oberflächen so gestaltet,
daß eine übermäßige Hitzeaufnahme die eine zu große Dimensionsveränderung verursachen
könnte, vermieden wirdi z03. hartverchromt. Die Seitenflächen der Turbinenwalzen
und die Seitenwände der Turbinengehäuse (4) werden mittels Distanzscheiben an den
Turbinenwellen
(19a,19b) so weit voneinander getrennt, daß eine
Reibung vermieden wird. Die beiden Turbinenwellen (19a,19b) werden an einem Ausgleichsgetriebe
(3) angeschlossen, das in erster Linie für eine synchronisierte Umdrehung der Turbinenwalzen
(11) sorgt und vermeidet, daß die Turbinenflügel (12) sich gegenseitig berühren
und gleichzeitig zur Kraftübertragung dient.