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Verbrennungsturbine Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungsturbine
in mit Einlaßventilen versehenen Brennkammern, in denen in periodischen Abständen
Ladung, Verbrennung und Expansion des Treibmittels aufeinanderfolgen.
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Es ist bereits eine Verbrennungsturbine dieser Bauart bekannt, bei
der ein gegenläufig rotierendes Laufradpaar abwechselnd als Saugzuggebläse und als
Turbine betrieben wird. Dabei erfolgt zuerst die Aufladung der Brennkammer mit Verbrennungsluft
durch den vom Saugzuggebläse erzeugten Unterdruck, worauf nach der Treibstoffeinspritzung
und Zündung die Expansion einsetzt. Bei der bekannten Konstruktion ist es nachteilig,
daß als Einlaßventile Kugelventile vorgesehen sind, welche ausschließlich vom Brennraumdruck
betätigt werden. Durch diese Ventilausbildung ergibt sich eine unzureichende Betriebssicherheit
der Turbine. Ungünstig ist ferner der bei der bekannten Turbine vorgesehene mechanische
Antrieb der
Einspritzpumpe durch eine aus dem Untersetzungsgetriebe
ausgehende Zahnradwelle.
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Durch die vorliegende Erfindung sollen die Nachteile der bekannten
Konstruktion behoben und die Funlctionssicherheit sowie der Wirkungsgrad der Turbine
maßgeblich verbessert werden. Zu diesem Zweck ist bei einer Verbrennungsturbine
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Einlaßventile von
mindestens einer tTockenwelle betätigt sind, die von einem von in den Brennkammern
vorgesehenen Temperatur- und bzw. oder Druckfühlern elektronisch gesteuerten, vorzugsweise
drehzahlregelbaren Elektromotor angetrieben ist, und daß die Nockenwelle der Einspritzpumpe
mit der Ventilnockenwelle über eine verstellbare Kupplung antriebsverbunden ist.
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Auf diese Weise wird eine exakte Steuerung der aufeinanderfolgenden
Betriebsphasen der Turbine gewährleistet und der einwandfreie Abschluß der Brennkammer
während des Expansionstaktes sichergestellt. Damit werden Druckverluste durch mangelhaftes
Schließen der Ventile vermieden und eine bessere Ausnützung der Energie der Verbrennungsgase
erreicht.
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Zur Inbetriebnahme der Turbine wird nach Uberschreiten einer vorbestimmten
Drehzahl des zunächst fremdangetriebenen Laufradpaares der Nockenwellen-Antriebsmotor
zugeschaltet, der die mit ihm antriebsverbundene Nockenwelle in Drehung versetzt
bis die Einlaßventile geöffnet haben. Infolge der Saugzuggebläsewirkung der Laufräder
kann
daher Verbrennungsluft in die Brennkammer einströmen.
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Durch Weiterdrehen des Elektromotors wird die mit der Ventilnockenwelle
verstellbar mechanisch gekuppelte Einspritzpumpennockenwelle mit angetrieben, welche
im richtigen Augenblick die Einspritzung des Treibstoffes auslöst, so daß Zündung
und Expansion des Treibstoff-Luftgemisohes mit der Schließung der Ventile durch
die Ventilfederdrücke zusammenfallen. Dadurch wird der Abbau des Expansionsdruckes
nur über die Laufradschaufeln möglich, die während der folgenden Phase als Turbinenschaufeln
die Verbrennungsenergie in Arbeitsleistung umsetzen.
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Durch die bei der Zündung des Treibstoff-Luftgemisches schlagartige
Erhöhung der Brennkammertemperatur bzw.
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des Brennkammerdruckes wird der betreffende Fühler angeregt, den Motor
der Ventilnockenwelle abzuschalten. Erst nach Absinken des Brennkammerdruckes auf
einen vorbestimmten Wert wird durch den in der Brennkammer vorhandenen Fühler der
Nockenwellenantriebsmotor wieder in Gang gesetzt, so daß ein neuerlicher Aufladetakt
eingeleitet wird. Die in den Massen der beweglichen Laufräder und den mit ihnen
mechanisch verbundenen umlaufenden Massen gespeicherte Bewegungsenergie dient dabei
zum Antrieb der nun wieder als Gebläseräder laufenden Turbinenlaufräder.
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Gemäß einer bevorzugten AusgestaLung der Erfindung kann in vorteilllaSter
leise der vor den Einlaßventilen gelegene, ge-ebenenSalls einen Wärmetauscher enthaltende
Ansaugraum durch ein von der Turbine angetriebenes Gebläse unter Überdruck gesetzt
sein. solcherart kann nicht nur der Drucl,aL-fall
der Verbrennungsluft
auf dem Weg zu den Ventilen wettgemacht1 sondern auch ein zusätzlicher Aufladeerrekt
erzielt werden. Auch diese Maßnahme trägt zur Leistungsverbesserung und Steigerung
des Wirkungsgrades der Turbine maßgeblich bei.
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Schließlich können nach einem weiteren Erfindungsmerkmal auch mehrere,
durch Zwischenwände voneinander getrennte Brennkammern vorgesehen sein, denen je
ein separates Einlaßventil zugeordnet ist und die in zyZischer Rethenfolge aufladbar
sind. Diese Ausführung der Verbrennungsturbine zeichnet sich durch einen besonders
ruhigen und gleichmäßigen Lauf aus. Da jeweils in einer der Brennkammern ein Spitzendruck
vorhanden ist, wird ein rasches Gasannehmen und ein beschleunigter Druckabbau ermöglich-t.
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Zu dem läßt sich durch die Unterteilung des Brennraumes in mehrere
Brennkammern leichter eine vollkommene Verbrennung erreichen, was nicht zuletzt
im Hinblick auf die Bestrebungen zum Umweltschutz von Bedeutung ist. Bei einer Brennkammeranzahl
von einem Mehrfachen von vier empfiehlt es sich, jeweils zwei oder mehrere einander
gegenüberliegende Kammern gleichzeitig aufzuladen, um den Axialschub der Laufräder
symmetrisch zu verteilen. In diesem Fall kann an Stelle von Nockenwellen eine elektrisch
angetriebene Nockentrommel treten.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten,
bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Axialschnitt
einer Verbrennungsturbine nach der Erfindung gemäß der Schnittlinie
A
- B der Fig. 2.
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Fig. 2 eine Ansicht der Stirnseite der Turbine nach Fig. 1, Fig.
7 einen Normalschnitt der Turbine nach der Linie O-D in Fig. 1 und Fig. 4 eine schematische
Darstellung der Getriebeanordnung der Turbine nach Fig. 1.
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Das Gehäuse der Turbine besteht aus einer mit Kühlrippen besetzten,
hohlzylindrischen äußeren Mantelbrennkammerwand 1, die mit einem Plansch an der
äußeren Radkammerwand 15 bfestigt ist. Die innere Mantelbrennkammerwand 2 ist konzentrisch
zur äußeren Wand 1 angeordnet und weist einen rohrförmigen Abschnitt auf, der sich
nach innen trichterförmig erweitert und an dem einen Leitschaufelkranz aufweisenden
Leitapparat 4 der Turbine befestigt ist.
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Der Raum zwischen den Wänden 1 und 2 ist durch radiale Zwischenwände
3 in vier voneinander separierte Brennkammern I bis IV unterteilt und stirnseitig
durch eine Wand 17 abgeschlossen.
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Jede Brennkammer ist mit einem Thermofühler 54 und einem Druckfühler
55 versehen, deren Funktion im folgenden ncl näher erläutert wird. An der Stirnwand
17 der Turbine ist je Brennkammer ein federbelastetes Einlaßventil 18 und eine Kraftstoff-Einspritzdüese
23 vorgesehen. Jede Brennkammer verfügt außerdem über eine in Fig. 3 nur schematisch
angedeutete Zündkerze 43.
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Hinter dem Leitapparat 4 sind die beiden gegenläufig rotierenden und
je mit einem Deckring 7 versehenen Laufräder
5 und 6 der Turbine
angeordnet. Zur Abdichtung der Laufräder 5 und 6 gegeneinander und gegenüber dem
Leit apparat 4 sind Stirnlabyrinthe 8 vorgesehen.
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Hinter den Turbinenlaufrädern 5 und 6 befindet sich die innere Radkammerwand
14, die an der äußeren Radkammerwand 15 angeflanscht ist und mit dieser den Auspuffsammelraum
16 bildet.
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Das erste Turbinenlaufrad 5 sitzt am Ende einer Ritzelwelle 9, die
einerseits im Inneren einer sie konzentrisch umgebenden Hohlwelle aelagert und durch
ein Labyrinth 11 abgedichtet ist, und deren anderes Ende in einem Kugellager 13
gelagert ist, welches sich in der hinteren Stirnwand eines an die Radkammerwand
14 angebauten Getriebegehäuses 38 befindet und durch einen Lagerdeckel 39 abgeschlossen
ist. Die Ritzelwelle 9 trägt das Stirnrad a (Fig. 4).
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Das zweite Turbinenlaufrad 6 sitzt auf der Hohlwelle 10, welche mittels
Kugellagern 13 in der inneren Radkammerwand 14 gelagert und durch ein Labyrinth
12 abgedichtet ist und ein, Stirnrad e trägt. Im Getriebegehäuse 38 sind außerdem
eine Abtriebswelle 40 und eine Zwischenwelle 41 gelagert. Von den allgemein mit
42 bezeichneten Zahnrädern trägt die Abtriebswelle 40 ein Stirnrad b, welches einerseits
mit dem Ritzel a und andererseits mit einem gleichgroßen, auf der Zwischenwelle
41 angebrachten Ritzel c in Eingriff steht. Ein weiteres auf der Zwischenwelle 41
angeordnetes Stirnrad d steht mit dem Stirnrad e in Eingriff.
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Im Getriebegehäuse 38 ist außerdem die schematisch eingezeichnete
ölpumpe 45 unte£'ebracht.
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Die Abtriebswelle 40 steht über ein von zwei Keilriemenrädern 32 und
einem nicht dargestellten Keilriemen gebildetes Getriebe mit einem auf das, Getriebegehäuse
38 aufgesetzten Dynamostarter 31 in Antriebsverbindung. ret dem Dynamostarter 31
ist über eine Kupplung 30 das Laufrad 28 eines in einem Gebläsekasten 27 angeordneten
Ladegebläs antriebsverbunden. In dem Geblasekasten 27 befindet sich auch der ölkühler
29 der Turbine.
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Das Turbinegehäuse ist von einem doppelwandigen, als Wärmetauscher
25 ausgebildeten zylindrischen Mantel umgeben, der stirnseitig durch eine Wand 24
abgeschlossen ist. Die Stirnwand 24 trägt insgesamt 6 Lagerböcke 20 zur Lagerung
zweier parallel angeordneter Nockenwellen 19 für den Antrieb der vier Ventile 18.
Die von einem nicht dargestellten, elektronisch gesteuerten Elektromotor angetriebenen
Nockenwellen 19 werden mittels eines in Eingriff stehenden Stirnradpaares 21 im
gegenläufigen Sinne angetrieben. Die Einspritzpumpe 33 der Turbine ist über eine
verstellbare Kupplung 22 mit den Nockenwellen 19 kuppelbar. Mit der Einspritzpumpe
33 ist auch der Zündverteiler 44 der Turbine antriebsverbunden. Mit 36 ist ein elektronischer
Impulssammler und mit 37 ein elektronischer Impulsverwerter bezeichnet.
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Für die dargestellte Turbine ergibt sich nun folgende Betriebsweise.
Zum Ingangsetzen der Turbine wird zunächst der Dynamostarter 31 an Spannung gelegt,
wodurch die beiden Turbinenlaufräder 5 und 6 über das Keilriemengetriebe 32 und
das
zuvor beschriebene Stirnradgetriebe in gegenläufige Rotation versetzt werden. Zugleich
wird vom Gebläse 28 Verbrennungsluft angesaugt und über den Wärmetauscher 25 in
den Raum vor den Ventilen 18 gefördert. Mittels einer nicht dargestellten Drosselklappe
kann dabei ein genau dosierbarer Luftüberdruck vor den Ventilen 18 erzeugt werden.
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Nach Erreichen einer vorbestimmten Drehzahl der Turbinenlaufräder
5 und 6 wird der Nockenwellenantriebsmotor selbsttätig zugeschaltet, der nun die
beiden Nockenwellen 19 in Drehung versetzt und das Einlaßventil 18 beispielsweise
der Brennkammer I öffnet. Der von den Turbinenlaufrädern 5 und 6 in der Brennkammer
1 erzeugte Unterdruck bewirkt nun, unterstützt von dem durch das Gebläse 28 erzeugten
Überdruck ein rasches Einströmen der Verbrennungsluft in die Brennkammer I. Die
über die Kupplung 22 zugeschaltete Einspritzpumpe 33 löst nun die Kraftstoffeinspritzung
über die Düse 23 in die Brennkammer I aus. Über den Zündverteiler 44 wird ein Zündimpuls
an die betreffende Zündkerze 43 abgegeben. Zugleich hat auch das betreffende Ventil
18 geschlossen. Das gezündete Kraftstoff-Luftgemisch expandiert nun über den Leitapparat
4 und die beiden Turbinenlaufräder 5 und 6 und setzt somit die Verbrennungsenergie
in mechanische Energie an der Turbinenantriebswelle 40 um. Der Dynamostarter 31
läuft nun als Generator weiter.
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Durch die bei der Zündung des Treibstoff-LuStgemisches schlagartige
Erhöhung der Temperatur und des Druckes in der Brennkammer wird durch die Fühler
34 bzw. 35 die Abschaltung des Nockenwellen-Antriebsmotors gesteuert. Der Antriebsmotor
wird durch den Fühler erst dann wieder in Gang gesetzt, wenn
der
Druck in der Brennkammer I auf einen vorbestimmten Ansprechdruck abgesunken ist.
Dadurch wird ein neuerlicher Aufladetakt im Bereich der Brennkammer I eingeleitet,
wobei die zufolge der in den umlaufenden Massen gespeicherten Bewegungsenergie als
Gebläseräder umlaufenden Laufräder 5 und 6 den erforderlichen Unterdruck in der
Brennkammer I liefern. Dieselben Vorgänge spielen sich in zyklischer Aufeinanderfolge
auch in den Brennkammern II, III und IV ab.
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Im Rahmen der Erfindung sind noch weitere Abwandlungen des dargestellten
und beschriebenen Ausführungsbeispieles möglich. So kann beispielsweise ein am Nockenwellenantriebsmotor
angebrachter Drehzahlwandler die genaue Ånpassung der Ventilnockengeschwindigkeit
an den Zeitpunkt, in dem die betreffende Brennkammer genügend mit vorgewärmter Luft
aufgeladen ist, erleichtern. Auf diese Weise könnte auch eine eventuelle Überhitzung
der Turbine vermieden werden, weil bei Verlangsamung der Ventilnockengeschwindigkeit
ein kühlender Luftüberschuß erzielt werden kann.
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Weiter ist auch noch eine Aufteilung des Brennraumes der Turbine in
eine größere Anzahl von Brennkammern denkbar.
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Die erfindungsgemäße Turbine kann außer mit Benzin auch mit Kerosin,
Petroleum, Diesel angetrieben werden. Es wird dabei lediglich das Auswechseln der
Zündkerzen gegen Glühkerzen und der Zündkabel gegen normale elektrische Kabel notwendig.
Die erfindungsgemäße Konstruktion hat weiter den Vorteil, daß bei voller Einspritzung
der Höchstdruck gehalten werden kann, was einer kontinuierlichen Verbrennung entspricht.