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Explosionsturbine mit Hilfsflüssigkeit Um die Wirtschaftlichkeit solcher
Kraftwerke sicherzustellen, deren Gestehungskosten, wie z. B. die der Wasserkraftanlagen,
sehr hoch sind, ist man dazu übergegangen, auch den Nachtstrom der Kraftwerke dadurch
auszunutzen, daß durch Elektrolyse Wasserstoff hergestellt wird. Dieser Wasserstoff
kann, soweit er nicht in der Industrie, z. B. zum autogenen Schweißen, verbraucht
wird, am Kraftwerk selbst aufgespeichert werden, um durch Verbrennung die Tagstrommenge
des Kraftwerkes zu steigern. Ähnliches gilt für Windkraftwerke. Infolge der außerordentlich
hohen Verbrennungstemperatur des Wasserstoffs war dies bisher nur durch wärmetechnisch
unwirtschaftlichere Verbrennung des Wasserstoffs unter Dampfkesseln möglich. Denn
obgleich Wasserstoffmotoren schon vielfach vorgeschlagen worden sind, haben diese
sich eben infolge der außerordentlich hohen Verbrennungstemperaturen, denen kein
Baustoff, insbesondere kein Kolbenverbrennungsmotor in der üblichen Form, auf die
Dauer zu widerstehen vermag, nicht praktisch verwirklichen lassen.
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Gemäß der Erfindung wird nun das aus Sauerstoff und Wasserstoff bestehende
Knallgasgemisch zum Betrieb an sich bekannter Explosionsturbinen mit Wasser als
Hilfsflüssigkeit benutzt. Dies bringt den Vorteil, daß der als Verbrennungsrückstand
entstehende Wasserdampf sich sogleich nach der Explosion zu Wasser verdichtet und
sich dem Wasserkolben der Maschine beimischt. Hierdurch entsteht infolge der Volumenverminderung
unmittelbar nach der Explosion ein starker Unterdruck, der zum Ansaugen des frischen
Knallgases für die nächste Ladung verwendet wird. Man erhält auf diese Weise ohne
besonderen Energieaufwand eine rasche Füllung des Zylinders, und auch die Ausscheidung
der Verbrennungsrückstände kann, da sie eine Flüssigkeit geworden sind, in einfacher
Weise erfolgen.
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Indem man Knallgas in einer Turbine mit Hilfsflüssigkeit zur Verbrennung
bringt, erhält man die Möglichkeit, um 'die hohen Explosionstemperaturen zu beherrschen,
da hier die Kühlung des Explosionsraumes und der arbeitenden Hilfsflüssigkeit möglich
ist, zumal letztere auch noch außerhalb des Zylinderraumes in dem eigentlichen Turbinengehäuse
gekühlt werden kann.
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Eine weitere Vereinfachung des Aufbaues und Betriebes der Maschine
ergibt sich noch dadurch, daß nur eine gesteuerte Gasöffnung für den Einlaß des
Knallgases in den Motorzylinder vorgesehen zu werden braucht.
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Da der Explosionsraum durch den Unterdruck nach erfolgter Explosion
mit Frischgasen vollkommen gefüllt ist, wirkt auch die Verdichtung stark abfedernd
auf die schwingende Wassermasse.
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Die Zeichnung veranschaulicht schematisch
als Beispiel
eine Ausführungsform des neuen Motors, und zwar zeigt Abb. i einen Längsschnitt
durch den Motor. Abb. 2 stellt das untere Gehäuse des Motors teils in Ansicht, teils
im Schnitt, von oben gesehen dar.
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Abb.3 zeigt das Turbinengehäuse einer Maschinenhälfte in Ansicht und
in Richtung der Turbinenachse gesehen.
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Der Motor besitzt die beiden nebeneinanderstehenden Zylinder io und
i i. Jeder Zylinder hat nur eine Ö3nung 12 und 13, die zwecks Zuführung des F riscligases
durch ein gemeinsames Organ, beispielsweise einen Schieber 14, in beliebiger Ausführung
gesteuert wird. Wasserstoff und Sauerstoff werden zweckmäßig in getrennten Kanälen
i 2a, 121' und 13a, 13 b zugeführt und vereinigen sich erst kurz vor ihrer
Entzündung im Explosionsraum selbst.
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An jeden Zylinder schließt sich nach unten ein Rohrkrümmer 15, 16,
dessen Öffnung 17, 18 an dem dem Zylinder benachbarten Ende dem Durchmesser dieses
Zylinders entspricht, während er sich bei seiner Krümmung aus der lotrechten in
die waagerechte Richtung mehr und mehr erweitert (vgl. Abb. 2 und 3). Die beiden
Krümmer 15, 16 stoßen in Flanschen i 9 an diesen erweiterten Enden zusammen und
sind beispielsweise durch Schrauben miteinander verbunden. Im Innern der Krümmer
15, 16 sind Verdrängung 2o, 21 angeordnet, die kegelähnliche Form haben und deren
Spitzen 22, 113
nach dem Zylinderraum i o, ii zeigen. Die Verdrängerkörper
2o, 21 erweitern sich entsprechend der Erweiterung der Krüminer 15, 16 in der Weise,
daß an der Stelle der Verbindungsflanschen 19 die Krümmer 15, 16, zwischen diesen
und den Verdrängungskörpern 20, 21 ein Ringkanal 24 verbleibt, dessen Querschnitt
z. B. etwa dem eines Zylinders 1o oder i i entspricht.
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In diesem Ringraum 24 läuft der Schaufelkranz eines Turbinenrades
25, dessen Welle 26 die Verdrängerkörper 2o, 21 und die Krümmer 15, 16 durchsetzt,
so daß sie bei 27 und 28 zu beiden- Seiten des Motors austritt und beispielsweise
ein Schwungrad 29 tragen oder mit einer Maschine beliebiger Art gekuppelt sein kann.
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Zur Kühlung der Maschine können die Zylinder i o, i i in üblicher
Weise von einem Wasserkühlmantel3o umgeben oder auch vollständig in einem Wasserbade
angeordnet sein. Ebenso können die Krümmer 15, 16 von außen durch Wasser gekühlt
werden. Da sich auch im Innern der Zylinder eine Hilfsflüssigkeit, und zwar Wasser,
befindet, so werden die Zylinderwandungen, welche den bei Wasserstoffverbrennung
außerordentlich hohen Explosionstemperaturen ausgesetzt sind, von allen Seiten gekühlt.
Hierdurch wird die in den Zylinderwandungen sich bei jeder Explosion aufspeichernde
Wärme nach außen und innen an die Kühlflüssigkeit abgegeben.
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Um auch die Betriebsflüssigkeit im Innern der Zylinder noch außerhalb
der Zylinderräume kräftig, besonders auch dort zu kühlen, wo sie, wie in den Ringräumen
3 i und 32, in verhältnismäßig dünnem Strahl fließt, empfiehlt es sich, nicht nur
die Krümmer 15 und 16 außen zu kühlen, sondern auch den Verdrängerkörpern
2o, zi innen Kühlwasser zuzuführen. Zu diesem Zwecke kann jeder Verdrängungs'körper
20, 2 i beispielsweise durch eine schmale, hohle Rippe 33 mit der Außenwand des
Krümmers 15 oder 16 verbunden sein. Hierdurch 'kann Kühlwasser dem Stutzen 34 zugeführt
werden, das, durch die Wandungen der Rippe 33 entsprechend gefährt, das Innere der
Verdrängungskörper 20, 21 durchströmt und bei 35 wieder austritt.
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Die Wirkungsweise der Turbine ist die folgende: Die Krümmerräume und
ein Teil der Zylinderinnenräume ist mit Wasser angefüllt. Wenn der Motor, wie bei
der in der Zeichnung dargestellten Ausführung angenommen ist, im Zweitakt arbeitet,
so steht beispielsweise in dem Augenblick der Explosion im Zylinder i i der WasserspiegH
36 des Betriebswassers nur wenig unterhalb des Zylinderdeckels 3 fi, während in
diesem Augenblick das Wasser in dem Zylinder i o seinen tiefsten Stand bei etwa
38 erreicht hat. Befindet sich nun in dem Raum 39 oberhalb des Wasserspiegels 36
verdichtetes Knallgas und wird dieses z. B. -mittels der Zündkerze 40 entzündet,
so wird durch den Explosionsdruck das Wasser in dem Zylinder i mach abwärts getrieben.
Da . s ch durch die Explosion der Wasserstoff mit denn- Sauerstoff zu Wasser verbindet
und dieses Wasser sich als einziger Explosionsrückstand mit dem Be;riebswasser vereinigt,
so entsteht, während sich die B.etriebsiwassersäule im Zylinder i i nach der Explosion
nach abwärts bewegt, in -dem Raum 39 des Zylinders i i ein Unterdruck, welcher bei
entsprechender Steuerung des Schiebers 14 zum Einsaugen des Frischgasgemisches für
die nächste Explosion verwendet werden kann.
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Das Betriebswasser, welches im Zylinder i i durch die Explosionsgase
nach abwärts bewegt wird, wird nun durch den Krümmer 16 und den Verdrängungskörper
2 i derart geführt und umgelenkt, daß es als geschlossener Ringstrahl in voller
Beaufschlagung auf die Schaufelung 41 des. Laufrades 25 trifft, zweckmäßig, nachdem
es entsprechend einstellbare Leitschaufeln 42 durchströmt hat. Es empf;
ehlt
sich auch, an der Austrittsseite des Betriebswassers* aus der Laufradschaufelung
41 einstell- oder regelbare Leitschaufeln 43 vorzusehen, zwischen denen sich die
Geschwindigkeit des austretenden Wassers in Druck umwandelt. Bei einer entsprechenden,
von Hand regelbaren oder selbsttätig durch den Strömungsdruck des Wassers bewirkten
Einstellung der Leitschaufeln 43 ist es möglich, die dem Wasser beim Austritt aus
der Laufradschaufelung 4 i noch innewohnende Energie in ausreichenden Druck umzuwandeln,
durch welchen, während das Betriebswasser im Zylinder io nach aufwärts steigt, das
über dem Wasserspiegel 38 befindliche Frischgasgemisch möglichst hoch verdichtet
wird.
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Nach Verdichtung der Frischgase im Zylinder io erfolgt im oberen Totpunkte
des Wasserspiegels 38 die Zündung in diesem Zylinder mittels der Zündkerze 40a.
Die B.etriebswassersäule kehrt ihre Bewegungsrichtung um, pendelt also zwischen
den beiden Zylindern i o und - i i dauernd hin und her, wobei jedoch das Laufrad
25 infolge der Stellung der Leitschaufeln 42, 43 stets so beaufschlagt wird, äaß
sich sein Drehsinn nicht ändert.
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Der Querschnitt der Explosionszylinder kann, um die Strömungs- und-Druckverhältnisse
des Betriebswassers zu beeinflussen und auch, um eine möglichst große Kraftleistung
bei geringem Gewicht des Betriebswassers zu erhalten, in an sich bekannter Weise
veränderlich sein. So ist beispielsweise durch den strichpunktierten Linienzug 58
in Abb. i angedeutet, wie der Zylinder i i mit einem nach dem Turbinenrade hin enger
werdenden Querschnitt ausgeführt werden könnte. Es ist empfehlenswert, den Querschnitt
beider Zylinder in gleicher Weise auszuführen. Es kann durch diese Form auch erreicht
werden, da.ß die Beaufschlagungsgesch'windigkeit des Wassers während jedes Arbeitsspiels
möglichst gleichbleibt.
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Ein Verlust an Betriebswasser wird durch das Wasser, welches bei der
Verbrennung des Knallgases entsteht, ergänzt, doch kann auch sonst Betriebswasser
zu irgendeinem geeilt, neten Zeitpunkt des Arbeitsspiels nachgefüllt oder auch gegebenenfalls
abgezapft werden, wenn in dem betreffenden Zylinder etwa Atmosphärendruck herrscht.
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Anstatt nur zwei Zylinder i o und i i in der vorher beschriebenen
Weise miteinander arbeiten zu lassen, 'kann eine beliebige Anzahl von Zylindern
oder Zylindergruppen verwendet werden, die entweder gemeinsam auf ein Turbinenrad
25 oder auf mehrere beliebig geschaltete Räder arbeiten. Hierbei könnten auch für
alle Zylinder oder Zylindergruppen besondere Ausströmleitungen und, getrennt hiervon,
besondere Auffangleitungen. oder Düsen angeordnet werden, die gegebenenfalls durch
Einschaltung von Rückschlagventilen selbsttätig arbeiten. In diesem Falle kann die
B'eaüfschlagung des Laufrades stets von der einen Seite erfolgen, während auf der
anderen Seite das austretende Wasser aufgefangen und dem betreffenden Zylinder zugeführt
wird.
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Auch kann eine spezifisch leichtere Flüssigkeit als Wasser mit höherer
Verdampfungstemperatur als letzteres die Wasserspiegel bedecken, um das Verdampfen
des Wassers zu verhindern. Auch können mehrere Laufräder benutzt werden, die (entweder
mehrstufig hintereinandergeschaltet sind oder jedes für sich eine besondere Bieaufschlagung
mit oder ohne mehrstufiger Beaufschlagung desselben Rades besitzt.