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Explosionsturbine mit Freiflugverdichtern. Die Erfindung betrifft
eine Explosionsturbine mit Freiflugverdichtern, die zugleich Explosionsgaserzeuger
sind, und bezweckt, die Einströmung der Explosionsgase in die Düse unter tunlichst
konstantem Druck zu sichern, um eine tunlichst gleichförmige Beaufschlagung der
Räder zu erzielen.
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Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung sindmehrere Explosionsgaserzeuger
mit Freiflugverdichtern mit zugehörigen Düsen in Reihe hintereinander geschaltet.
jeder Explosionsgaserzeuger umfaßt drei Teile, deren jeder mit einem Kolben und
eurem Zylinder ausgerüstet ist; der dem Laufrad am nächsten liegende Teil, der mit
den Düsen in Verbindung steht, dient als Kammer zur Bildung des brennbaren Gemisches
und gleichzeitig als Expansionskammer, wobei die Gase auf einen ersten Kolben wirken,
der bei seiner rückläufigen Bewegung auf einen zweiten in der zweiten Kammer beweglichen
Kolben wirkt, weher die Frischluft komprimiert. An den zweiten Teil schließt sich
nach hinten ein dritter Teil an, der als Sammler für die Druckluft dient und der
im geeigneten Augenblick durch einen achsialen Verteiler in Verbindung mit der vorderen
Kammer gebracht wird, um die Verbrennungsgase in das Laufrad zu drücken. Die verschiedenen
Kompressoren stehen in Verbindung miteinander; eine gewisse Anzahl davon ist durch
die vorderen Kammern in ständiger Verbindung mit dem Laufrad.
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Wie weiter unten ausgeführt werden wird, ist das Fassungsvermögen
der Druckluftkammern, deren Inhalt zum Eindrücken der Gase in das Laufrad dient,
so bemessen, daß man den Druck, mit welchem die Gase in die Turbine neingedrückt
werden, praktisch als konstant ansehen kann.
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Eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist in der Zeichnung
dargestellt; es zeigen Fig. I, 2 und 3 im Schnitt der Länge nach in schematischer
Darstellung die Vorrichtung zur Erzeugung des Gasgemisches, welche in beliebiger
Anzahl auf dem Umfang des Turbinenrades verteilt sind, die drei Figuren zeigen die
einzelnen Teile in drei verschiedenen, für den Kreisprozeß kennzeichnenden Stellungen;
Fig. 4 zeigt von hinten eine Ansicht eines Teiles der Gesamtanordnung.
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Wie sich aus der Zeichnung ergibt, kann die eigentliche Turbine beispielsweise
als Achsialturbine ausgebildet sein und einen oder mehrere Laufkränze A,
A', A= besitzen, wo die Gase in einer öder mehreren Geschwindigkeitsstuien
ausgenutzt werden. Das Laufrad wird aus Düsen B beaufschlagt. An jede der Düsen
ist ein Kompressor gemäß der Erfindung angeschlossen.
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Der Verdichter umfaßt drei röhrenförmige
Kammern,
die gleichachsig hintereinander gelagert sind. Die Kammer C, die durch eine Öffnung
c mit der Düse B in Verbindung steht, stellt die Explosionskammer dar und ist zu
diesem Zweck mit einer oder mehreren Vorrichtungen F zum Einführen flüssigen Brennstoffs
ausgerüstet. In dieser Kammer C ist ein Kolben G verschiebbar gelagert, der hei
seiner Verschiebung durch die Explosionsgase einen Ringkolben H mitnimmt, der in
der zweiten Kammer D angeordnet ist und den eigentlichen Verdichterkolben für die
gesamte dem Kompressor zugeführte Frischluft darstellt, die, wie weiter unten gezeigt
wird, zum Teil für die Abkühlung der verbrannten Gase verwendet wird.
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Der Ringkolben H ist in der zweiten Kammer D verschiebbar; er gleitet
auf einem Teil G1 des Kolbens G, der sich zwischen dem Vorderteil G und einem hinteren
Teil G2 erstreckt. Es ist ersichtlich, daß die Kammer D des Kompressors im wesentlichen
eine ringförmige Kammer um die äußere Wand des Kolbenteils G1, G2 ist, der von geringerem
Durchmesser ist als der Teil G.
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Nahe ihrem Vorderende besitzt die Kammer D Zulaßöffnungen d für die
Luft; am Hinterende steht diese Kammer mit der Kammer E durch Öffnungen e in Verbindung,
die in einer Ringwand El angebracht sind, wo der Teil G2 des Kolbens geführt wird.
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Diese Durchtrittsöffnungen e sind normal durch ein gemeinsames Ringventil
I verschlossen, das unter der Wirkung einer oder mehrerer Federn i steht, die dass
Bestreben haben, das Ventil gegen die Öffnungen e zu drücken. Der Teil G2 des Kolbens
bildet durch den Boden g2 eine Scheidewand zur Kompression der in die hintere Kammer
E des Zylinders eingeführten Luft. Der Kolben G, G1, G2 kann, wie auf der Zeichnung
gezeigt, röhrenförmig sein und in dem Boden g2 Öffnungen g3 aufweisen.
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Der Verteiler, der bei jedem Kreisprozeß zunächst die Einführung einer
Ladung von in der Explosionskammer C komprimierter Luft und dann die Einführung
der für die Abkühlung der verbrannten Gase notwendigen Druckluft in diese Kammer
und ihr Eindrücken in das Laufrad sichert, ist folgendermaßen ausgebildet.
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Eine Düsennadel J, die wechselweise die Verbindung zwischen der Düse
B und der Explosionskammer C öffnet und schließt, ist an dem Vorderende eines röhrenförmigen
Schaftes K ausgebildet, der in dem Kolben G, G1, G2 und in dem hinteren Boden E2
der Kompressorkammer E gelagert ist. Dieser Schaft K besitzt Öffnungen K1 in seinem
Vorderteil, der sich ständig in der Kammer C bewegt; außerdem besitzt er Öffnungen
KZ in dem ständig in der Kammer E befindlichen hinteren Teil. Die zuletzt genannten
Öffnungen bleiben ständig geöffnet, während die Öffnungen K1 wechselweise durch
einen in dem Schaft geführten Rohrschieber L abgesperrt oder geöffnet werden können.
Je nachdem die Öffnungen KI geöffnet oder geschlossen sind, steht die Kammer C mit
der Kammer E durch die Öffnungen K2 in Verbindung oder sie ist davon abgesperrt.
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Um entsprechend dem Verlauf des Prozesses die Düsennadel J in die
Öffnungs- oder Schlußstellung zu bringen, wird dem SrhaftK eine wechselweise Bewegung
erteilt. Zu diesem Zweck trägt er einen Vorsprung K3, der in eine Kurvennut M1 an
einer Nockenscheibe M eingreift. Die Scheibe wird von einer in dem Teil E des Kompressors
drehbar gelagerten Welle N getragen. Die Verdrehung dieser Welle N wird durch die
Verschiebung einer Muffe G3 des Kolbens bewirkt, welche üher einer Schraubennut
n der Welle N als Schraubenmutter wirkt. Die gleiche Nocken-, scheibe M kann eine
zweite Kurvennut M2 für den Vorsprung L1 besitzen, der an dem Rohrschieber L befestigt
ist. Der Umlauf der Scheibe M bewirkt also im geeigneten Augenblick die geradlinige
Verschiebung der Düsennadel J einerseits und des Rohrschiebers L anderseits.
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Zwischen den Kammern E der verschiedenen Kompressoren der Turbine
ist eine ständige \rerbindung eingerichtet mittels eines rinzförinizen Sammelrohrs
0, das mit einem als Sammler dienenden Behälter in Verbindung steht, -und in welches
die Stutzen P einmünden, die mit den Kammern E in Verbindung stehen (Fig. 4). Anderseits
ist zwischen den verschiedenen Nockenscheiben M ein gemeinsamer Antrieb angeordnet,
und zwar in Gestalt eines gemeinsamen Zahnkranzes Q, der in die Zahnkränze m der
Nockenscheiben eingreift.
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Die Wirkungsweise dieser Verbindung zwischen den Scheiben M wird noch
weiter unten erörtert werden. Zunächst ist festzustellen, daß jede Nockenscheibe
auf der zugehörigen Welle N lose aufgesetzt und durch eine Freilaufkupplung mit
einer inneren Scheibe verbunden ist, die auf -der Welle N aufgekeilt ist. Demgemäß
werden die Scheiben Min der einen Drehrichtung der Welle N mitgenommen; dagegen
bleiben sie unbewegt, wenn die Welle N in der umgekehrten Drehrichtung umläuft.
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Die Vorrichtung wirkt in folgender Weise: Vorausgesetzt, die Teile
seien in der Stellung gemäß Fig. z, die Druckluft in dem, Sammler und in der hinteren
Kammer E; diese wird durch die Öffnungen K' und den Schieber L durch,d'ie Öffnungen
K1 -des Schaftes
K in die Kammer C eingeführt; jede Verbindung
zwischen den Kammern D und E ist abgesperrt; die Zulaßöffnungen d für die Außenluft
sind geöffnet. Die Düsennadel l schließt die Verbindung zwischen der Kammer C und
der Düse B. Die Luft wirkt auf die vordere und hintere Stirnfläche des Kolbens G,
und da die vordere Stirnfläche einen größeren Durchmesser besitzt als die hintere,
drückt die Luft die Gesamtheit G, G1, G2 des Kolbens nach rückwärts (in der Zeichnung
von rechts nach links).
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Sobald bei dieser rückläufigen Bewegung der Teil G des Kolbens mit
seiner Schulter g den Ringkolben H berührt, sucht er diesen nach rückwärts (in der
Zeichnung links) mitzunehmen.
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Eine Vorrichtung zum Festhalten des Kolbens H gestattet diesen während
einer erforderlichen Zeit verriegelt zu halten, und zwar so lange, bis das Druckgleichgewicht
zwischen den Kammern E und C, das durch die Bewegung des Kolbens G gestört wurde,
wieder hergestellt ist.
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Diese Ausklinkvorrichtung, von der eine Ausführungsform beispielsweise
in Fig. 5 bis 9 dargestellt ist, wird weiter unten beschrieben werden.
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Bei seiner rückläufigen Bewegung hat der Kolben G anderseits durch
die Verschiebung der Muffe G3 die Welle N und somit die Scheibe M gedreht. Der Vorsprung
L1 an dem Schieber L gelangt in dem Augenblick, wo die Schulter g den Ringkolben
H berührt, in Eingriff mit den Schrägflächen in' der Scheibe M2, wodurch der Schieber
L nach vorn (von links nach rechts) verschoben wird und die Öffnungen K1 abschließt.
Die Teile nehmen nunmehr die Stellung nach Fig.2 ein; der Ringkolben H ist frei
geworden.
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Die Fig. 5, 6, 7 zeigen im Längsschnitt und größerem Maßstab eine
Vorrichtung zur Verriegelung und Entriegelung des Kolbens H. Diese Figuren entsprechen
den Fig. I, 2 und 3; Fig.8 zeigt einen Querschnitt nach 8-8 in Fig. 6, Fig.9 einen
Schnitt nach 9-9 in Fig. 5. In Fig. II, I2, I3 ist eine Einzelheit von der Seite,
von vorn und von oben gezeigt.
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Der Kolben H ist in Wirklichkeit beweglich auf einem Ring R angeordnet,
der über den Teil G1 des Kolbens G, G1, G2 gestreift ist; seine achsiale Verschiebung
wird durch die Schultern g und g4 begrenzt. Der Ring R besitzt eine Nut R1, deren
eine Seitenwand r1 abgeschrägt ist. In der Ruhe, wenn der Ringkolben H die Stellung
gemäß Fig. I, 5, 8 einnimmt, greifen eine Reihe von Riegeln S, die in entsprechenden
Führungen der vorderen Wand des Kolbens H gleiten, mit ihren unteren Enden in die
Kehlnut R1, wo sie durch ringförmige Federn gehalten werden, die ihre oberen Enden
umfassen. Diese Federn T und U greifen von der Seite mittels Nut u und Feder t ineinander
ein; sie sind als offene Ringe ausgebildet und haben das Bestreben, die Riegel S
vorzuschieben, d. h. sie nach innen zu drücken; ein seitlicher Stoß auf die Riegel
dagegen hat die Wirkung, daß die Ringe T und U geöffnet und gegen
die Wand des Zylinders D gedrückt werden. Auf die äußeren Umflächen der Federn
T und U stützt sich ein Druckstück V, dessen seitliche Vorsprünge
v in Gleitbahnen w in den Schenkeln W einer Gabel eingreifen. Die Gabel läuft in
eine Stange W1 aus, die dazu dient, die Einspritzvorrichtungen für den Brennstoff
zu bedienen. Diese sind von beliebiger bekannter Anordnung.
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Wie bereits weiter oben gezeigt, verschiebt sich der Kolben G unter
der Wirkung der Expansion der in die Kammer C eingelassenen Druckluft nach hinten
(links), bis seine Schulter g auf den Ringkolben H oder genauer auf den Ring R trifft,
auf den der Kolben aufgesetzt ist. Da der von der Schulter ,a- des Kolbens G auf
den Ring R ausgeübte Druck ungenügend ist, um den Widerstand der Feder
T und U zu überwinden, verbleibt das Druckstück W zunächst in der
Stellung gemäß Fig. 5. Die Spannung der Federn ist so bemessen, daß sie in der Kammer
C eine voraus berechnete Druckerhöhung sichert. Sobald diese vorausbestimmte Druckhöhe
überschritten wird, überwiegt der Druck des Kolbens G die Spannung der Federn T,
U und zwingt das innere Ende d 'er Riegel R1 die Schrägfläche yl cles Ringes R hinaufzulaufen.
Dies bewirkt ein Heraustreten des Druckstücks h und die Verschiebung der Gabel W
und der Stange WI von links nach rechts. Die Teile kommen somit in die Stellung
gemäß Fig. 6, die der der Fig.2 entspricht.
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In diesem Augenblick wird der Brennstoff in Kammer C eingeführt, wo
er sich durch die dort herrschende Lufttemperatur entzündet. I?ierdurch findet die
Explosion statt. Die Gesamtheit des Kolbens H kann also von dem Kolben G mitgenommen
werden.
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Bei seiner Verschiebung in der Kammer D komprimiert der Ringkolben
H die durch die Öffnung d zugeführte Frischluft, während der Kolben G, Gl, G2 die
Luft in der Kammer E komprimiert. Während dieser Verschiebung ist durch die Drehung
der Welle N der Vorsprung L1 auf die Schrägfläche zn3 des Nokkens M2 gelangt, wodurch
der Ringschieber L rückwärts verschoben wird und die Kanäle Klöffnet. In diesem
Augenblick ist der Druck der Gase in der Kammer C infolge ihrer Exrj#nsion geringer
als der Luftdruck in der 1< ammer E. Hierdurch ergibt sich, daß ein
genau
bemessener Teil dieser Luft, während der Anschlag L1 die Schrägflächen mO durchläuft,
entströmt und durch die Kanäle K1 in die Kammer C gelangt, wodurch eine Kühlung
der Explosionsgase eintritt.
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In dem Diagramm nach Fig. Io sind die Temperaturen als Ordinaten,
die aufeinanderfolgenden Kolbenstellungen als Abszissen aufgetragen. Hier bezeichnet
Y die Explosionstemperatur, Y1 die Temperatur, bei der der Zulaß der Luft aus der
Kammer E stattfindet, Y2 die Temperatur am Ende dieser Luftzuführung (entsprechend
der Ankunft des Anschlags L1 am Ende der Schrägflächen m3), Y3 schließlich die Temperatur,
auf welche das Gemisch herabsinkt, wenn der Kolben G in seiner äußersten rückwärtigen
Stellung gemäß Fig. 3 angelangt ist.
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Es ist zu bemerken, daß gemäß Fig. 7 das Druckstück V selbsttätig
in seiner ausgerückten Stellung gehalten wird, bis die Teile H, R, S in die Stellung
gemäß Fig. 5 zurückgekehrt sind; dies wird bewirkt durch ein Sperrstück V1, das
von einer Feder v1 stetig nach hinten (links) gedrückt wird.
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Wenn die Teile in der Stellung gemäß Fig.3 angelangt sind, wobei der
Druck in der Kammer D zwischen H und E1 größer ist als der Luftdruck in der Kammer
E, öffnet sich das Ringventil I und es wird in die Kammer E eine Ladung von Luft
eingelassen, welche dem Luftverbrauch für die Erzeugung des brennbaren Gemisches
einerseits und der Abkühlung der verbrannten Gase anderseits bei jedem Spiel entspricht.
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Wenn die Teile die Stellung nach Fig.3 einnehmen, d. h. wenn der Rücklauf
des Kolbens G, G1, G2 beendet ist, haben die Anschläge L1 und k3 in Eingriff mit
den Schrägflachen m4 und m1 unter der Wirkung der Drehung der Scheibe M eine gleichzeitige
Rückbewegung des Rohrschiebers L und des Schaftes K und infolgedessen die Öffnung
der Verbindung zwischen der Kammer C und der Düse B bewirkt.
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Sobald die Überströmung des Gases nach der Düse B erfolgt, führt das
Überwiegen des Luftdruckes auf der Seite der Kammer E den Kolben G nach rechts zurück.
Bei dieser Bewegung trifft die Schulter g4 zunächst den Ring und verschiebt ihn
nach rechts. Sobald die Riegel S der Nut R1 gegenüberstehen, werden sie durch die
Federn T und U in sie hineingedrückt. Der Ringkolben H und der Ring R werden hierdurch
starr verbunden und bei der Vorwärtsbewegung des Kolbens G mitgenommen. Sobald dieser
Kolben in die Stellung nach Fig. i zurückkommt, ist das Gemisch aus Luft und Explosignsgasen
entsprechend abgekühlt, in das Rad A, Al, Az eingeführt und die Verbindung
zwischen der Kammer C und der Düse dann durch den Eingriff des Vorsprungs IC mit
dem geraden Teil der Kurvenbahn Ml, der dem Zylinder E zuriächst liegt, abgeschlossen
worden, während der Anschlag Ll im Gegensatz hierzu in dem Teil der Kurvenbahn verbleibt,
durch welchen die Verbindung zwischen dem Rohrschieber L und der Kammer C gesichert
wird. Der Vorgang ist somit beendet.
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Setzt man voraus, däß die Turbine beispielsweise sechs 'Kompressoren
besitze, die auf dem Umfang des Laufrades verteilt sind, so können die Abmessungen
dieser Kompressoren so gewählt werden, daß zwei davon die verbrannten Gase in die
Turbine eindrücken, während in vier davon die Zuführung des flüssigen Brennstoffs,
die Explosion und die darauffolgende Expansion bewirkt werden.
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Diese Arbeitsweise ist zu bewirken, da sich der Vorwärtshub des Kolbens
in einer erheblich geringeren Zeit vollzieht als der Rückwärtshub.
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Es ist zu sehen, daß bei der gezeigten Vorrichtung die Gesamtenergie
der Explosionen unmittelbar zur Kompression der Luft verwendet wird, und daß anderseits
die Energie der so komprimierten Luft zur Abkühlung der verbrannten Gase und zu
ihrer Einführung in die Turbine ausgenutzt wird. In Anbetracht dessen, ferner; daß,
wie oben ausgeführt, die Zahl der die Turbine speisenden Kompressoren in jedem Augenblick
größer ist als die der zur Wiederherstellung der Ladung und der Abkühlungsluft verwendeten,
kann praktisch angenommen werden, daß diese Kompressoren, die untereinander durch
eine Leitung 0 verbunden sind und die selbst mit einem Sammler in Verbindung steht,
die Gase unter konstantem Druck fördern.
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Die gezeigte Anordnung verbindet also mit den Vorteilen der Gleichraumverbrennung
die einer Zuführung unter konstantem Druck.
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Es ergibt sich weiterhin, daß die Menge der einzuführenden Ladung
durch die Bahn des Kolbens G zwischen dem vorderen Zylinderboden C und dem Ringkolben
H bestimmt ist, wobei der Druck dieser Ladung wieder festgelegt ist durch die Spannung
der Federn T und U, die zur Freimachung des Ringkolbens H überwunden
werden muß.