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Brennkraftturbine mit Hilfsflüssigkeit Den Gegenstand der Erfindung
bildet eine Brennkraftturbine, in der auf eine in einem zvlindrischen Arbeitsraum
umlaufende Hilfsflüssigkeit durch das Treibmittel Energie übertragen und hierauf
diese Hilfsflüssigkeit außerhalb des Arbeitsraumes zum Antrieb einer Turbine nutzbar
gemacht wird.
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Es ist bekannt, in einer umlaufenden Trommel durch Laufschaufeln und
Fliehkraftwirkung einen Flüssigkeitsmantel zu erzeugen, auf den das in der Brennkammer
eingeschlossene Treibmittel unmittelbar wirkt, worauf die Hilfsflüssigkeit durch
einen in den Arbeitsraum ragenden Schaufelkranz in eine zweite Kammer des Arbeitszylinders
getrieben wird und hierbei Energie an -die Trommel abgibt. Anderseits ist es bekannt,
in ebenfalls paarweise angeordneten Arbeitsräumen von einem Flüssigkeitsring umgebene
Brennkammern dadurch zu erzeugen, daß in den Räumen angeordnete Schaufelräder die
Flüssigkeit abwechselnd in Umlauf versetzen und Energie aufnehmen.
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Von den bekannten Maschinen dieser Art unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand
durch die besondere Arbeitsweise und Vereinigung der einzelnen Teile. Die Erfindung
besteht darin, daß die Hilfsflüssigkeit in Form eines Ringes in dem stillstehenden
einheitlichen Arbeitsraum frei umläuft, während das Treibmittel in einer von dem
Flüssigkeitsring umschlossenen Brennkammer bei der tangentialen Zuströmun:g weiterer
Flüssigkeit verdichtet wird und nach seiner Zündung einen Teil der Flüssigkeit durch
die von der Brennkammer getrennte Turbine treibt. Dadurch werden Störungen in der
Bildung des Flüssigkeitsmantels ausgeschlossen, während die Hilfsflüssigkeit in
einer in beliebiger Stellung zum Arbeitsraum angeordneten Turbine als Treibmittel
nutzbar gemacht werden kann.
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Die Turbine kann mit dem Arbeitsraum durch Rohrleitungen verbunden
sein, sie kann aber auch unmittelbar an den Auslaß angeschlossen sein, wobei zur
Ausnutzung der Austrittsgeschwindigkeiten ein geschlossener Kreislauf vorgesehen
sein kann, in dem die Flüssigkeit ständig umläuft. Zur Erzielung einer gleichmäßigen
Wirkung sind vor und hinter dem Arbeitsraum zweckmäßig Windkessel vorgesehen, in
denen die Hilfsflüssigkeit in der gleichen Weise umläuft, wie im Arbeitsraum, so
d'aß sie ihre kinetische Energie in der Hauptsache beim Überströmen bewahrt. Diese
Windkessel sind dann erforderlich, wenn ein geschlossener Kreislauf vorhanden ist.
weil ja das Arbeitsverfahren des Krafterzeugers ins den enuelnen Arbeitstakten wie
bei einer Kolbenmasdhhine vor sich geht, wobei: der Kolben durch die pulsierende
Flüssigkeit ersetzt wird. Nachdem die Flüssigkeit teilweise ausgetrieben ist, wird
die Brennkammer geladen, d. h. mit dem Treibmittelgemisch auf beliebige bekannte
Weise gefüllt. Die hierauf durch den Einlaß erneut zuströmende Flüssigkeit verkleinert
den Durchmesser der Brennkammer und verdichtet das Gemisch, nach dessen Zündung
die Flüssigkeit bei der Entspannung
der Gase durch den Auslaß nach
außen teilweise getrieben und in die Turbine befördert wird. Selbstverständlich
ist der Arbeitsraum mit Absperrvorrichtungen versehen, durch die der Durchtritt
,der Flüssigkeit bei den verschiedenen Arbeitstakten nur in der bestimmten Richtung
gestattet wird. Beim Übertritt der Flüssigkeit aus den einzelnen Arbeitsräumen in
die nächstfolgenden wirken die Windkessel wie üblich ausgleichend, jedoch behält
die Flüssigkeit ihre schraubenförmig kreisende Bewegung, so daß ihre kinetische
Energie nicht verlorengeht, sondern im nächsten Raum nutzbar gemacht «-erden kann.
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In der Zeichnung ist die neue Anordnung der Brennkraftturbine in mehreren
Ausführungsformen beispielsweise dargestellt. Abb. i und 2 zeigen die einfachste
Form .des Arbeitsraumes in Seitenansicht und Oberansicht. Abb.3 zeigt im waagerechten
Querschnitt einen Arbeitszylinder mit einem Austrittswindkessel. Abb. 4 stellt im
Grundriß .eine Gesamtanordnung eines Arbeitszylinders mit Ein- und Austrittswindkesseln
und mit einer Turbine dar, wobei alle Teile einen enggeschlossenen Kreislauf bilden.
Abb. 5 zeigt einen Durchlaß in der Stirnwand des Gehäuses. Abb. 6 und 7 sind den
Abb. i und 2 entsprechende Darstellungen einer anderen Ausführungsform des Arbeitsraumes.
Abb.8 zeigt den geschlossenen Kreislauf wie Abb.4, wobei jedoch die gleichachsige
Lage aller Teile gewählt ist, was auch in Abb, 9 der Fall ist, die außerdem die
Trennung der durchgehenden Turbinenwelle von einigen der Räume durch eine zylindrische
Wand zeigt. Abb. io bis z2 stellen Schnitte von Rückschlaggliedern dar. Abb.
13 veranschaulicht eine Führungsanordnung. Der in Abb. i und 2 für sich in
Seitenansicht und Grundriß dargestellte Arbeitsraum der Brennkraftturbine besteht
beispielsweise aus einem zylindrischen Behälter 3 mit Eimaß 8 und Auslaß 9 für die
Hilfsflüssigkeit. Diese Leitungsanschlüsse münden in das Innere des Zylinders 3
in tangentialer Richtung und werden mit Rückschlagventilen versehen, die den Durchtritt
der Flüssigkeit nur in der Pfeilrichtung nach Abb. 2 gestatten. Der Arbeitszylinder
3 ist ferner an seinem oberen und seinem unteren Ende mit den für den Verbrennungsprozeß
erforderlichen Spül-, Eimaß-, - Awslaß-, Anlaßorganen beliebig er bekannter Ausführung,
z. B. Ventilen 16, 17, 18, ausgerüstet. Mit Hilfe dieser Regelungsorgane kann der
Treibmittelprozeß, der an sich nicht Gegenstand vorliegender Erfindung ist, beliebig
geregelt werden, etwa als Viertakt oder Zweitaktprozeß.
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N achdem das Treibmittel nebst der . erforderlichen Verbrennungsluft
eingeführt wor-,den ist, -erfolgt die Verdichtung dieses Gemisches in der innerhalb
:des im Arbeitszylinder umlaufenden Flüssigkeitsmantels gebildeten Brennkammer 3a
durch die weitere zuströmende Flüssigkeit. Die Flüssigkeit tritt .durch den Einlaß
8 in tangentialer Richtung mit so hoher Geschwindigkeit ein, daß sie unter der Wirkung
der Fliehkraft einen dauernd umlaufenden Flüssigkeitsmantel bildet, wobei der Durchmesser
der Brennkammer 3a allmählich verkleinert wird. Nach der Zündung des Gemisches wird,
während das Einlaßventil geschlossen bleibt, durch die sich entspannenden Gase die
Hilfsflüssigkeit teilweise durch den Auslaß 9 herausgetrieben und in die angeschlossene
(nicht dargestellte) Turbine befördert, in der sie ihre Energie abgibt.
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Um dieses wechselnde Arbeiten in eine stetige Wirkung umzuwandeln,
ist nach Abb. 3 hinter den Arbeitsraum oder -zylinder 3 ein Windkessel
30 geschaltet, dessen spiralförmiger Einlaß 32 mit dem Auslaß 9 des Arbeitsraumes
3 verbunden ist. Der Windkessel ist im wesentlichen in derselben Weise ausgeführt
wie der Arbeitsraum, und die Flüssigkeit bildet in ihm ebenfalls einen umlaufenden
Flüssigkeitsmantel, der einen elastischen Gas- oder Dampfkern umgibt und dessen
Auslaß 33, 34 zur Turbine führt. Der Windkessel bedeutet hier wie gewöhnlich einen
Pufferraum zur Erzeugung einer Federwirkung. Er dient dazu, nicht nur die Strömungsrichtung
im wesentlichen beizubehalten, sondern auch wegen der Zusammendrückbarkeit des Kernes
die Energie der stoßweise arbeitenden Flüssigkeit zu speichern. In diesem Falle
sind die absperrbaren Durchlässe des Arbeitsraumes 3 und des Windkessels
30 in die anschließenden Spiralrohre 8 und 9 oder 32 und 33 verlegt. Sie
bestehen aus turbinenartig: n Schaufelsätzen 14 und 35 zur Erzielung des tangentialen
Durchtritts und können entweder selbst beweglich oder mit Rückschlaggliedern versehen
sein, die in einem Ausführungsbeispiel nachstehend beschrieben sind. Selbstverständlich
kann die Verbindung der einzelnen Räume der Brennkraftturbine auch in anderer Weise
geschehen, und es kann auch ein Windkessel von der gleichen Ausführung vor dem Arbeitsraum
angeordnet sein. Diese Vereinigung mit Windkesseln ist stets dann notwendig, wenn
die Brennkraftturbine mit enggeschlossenem Kreislauf ausgeführt wird, wie beispielsweise
Abb.4 zeigt. Die Flüssigkeit strömt hierbei wechselnd vom Arb,emtszylnder 3 in den
Austrittswindkessel3o, aus diesem in gleichmäßigem Strome in die Turbine
50 und von dieser in
den Eintrittswindkessel 4o, aus dem
sie während der Verdichtung in den Arbeitsraum 3 zurückgelangt, wie die Pfeile in
A:bb.4 andeuten.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist gezeigt, claß der Eintritt in den
Arbeitsraum durch dessen Stirnwand geschehen kann. Er erfolgt zweckmäßig durch einen
Leitschaufelkranz 13 (A;bb. 5), durch den der Flüssigkeit die tangentiale Richtung
erteilt wird. Der Austritt findet durch ein am Umfang des Zylinders tangential anschließendes
Rohr statt. In Abb.5 wird gezeigt, daß mehrere Austrittsrohre 12 vorgesehen sein
können, wenn mehrere Turbinen gespeist werden sollen. Umgekehrt kann auch der Eintritt
durch 12 geschehen, während die Flüssigkeit bei 13 ausgestoßen wird. Die Anordnung
kann auch so getroffen werden, daß sowohl Austritt wie Eintritt in einer Stirnwand
oder Zwischenwand ausgebildet sind.
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Die in Abb.4 dargestellten Windkessel können verschiedene Gestalt
haben, z. B. ähnlich wie Abb. i oder mit an den beiden Enden des zylindrischen oder
konischen Arbeitsraums anschließendem Einlaß 8 und Auslaß 9, ähnlich wie bei dem
in Abb. 6 und 7 dargestellten Beispiel.
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Eine besonders günstige Ausführung der Brennkraftturbine erhält man
(nach Abb.8), wenn man Eintrittswindkessel d.o, Arbeitsraum 3, Austrittswindkessel
8o und Turbinenrad 50 gleichachsig aneinander gliedert, so daß die Flüssigkeit
die einzelnen Räume nacheinander in demselben Sinne durchströmt. Die Rückleitung
kann außen herumgeführt werden oder zweckmäßiger, wie die Abb.8 zeigt, vom Turbinenrad
durch ein konzentrisches Rohr 53 und einen mit Leitapparaten 56 ausgerüsteten Diffusor
54 in den Eintrittswindkessel4o geschehen.
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Einen ähnlichen engen Zusammenbau, bei dem die Welle der Turbine durch
das Rohr 53 hindurchgeführt ist, zeigt Abb. g.
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In diesem Kreislauf kann an geeigneter Stelle, insbesondere in der
Rückführungsleitung, eine Kühlvorrichtung eingeschaltet sein. Besonders einfach
gestaltet sich dies, wenn die Leitung außerhalb der Brennkraftturbine sich befindet.
Man kann aber auch einen Teil der Hilfsflüssigkeit abzweigen und gekühlt wieder
zuführen oder überhaupt teilweise durch kalte Flüssigkeit ersetzen.
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In den Zwischenwänden der Räume sind nach Abb. 8 und 9 die Durchlaßkanäle
39 und 32 vorgesehen, die Rückschlagglieder beliebiger Ausführung, z. B.
Klappen, enthalten, w ährend vor der Turbine 5o Leitschattfela kränze angeordnet
sind, die mit drehbaren Schaufeln 51, 52 ausgerüstet sein können, um die Arbeitsweise
regeln zu können. Wie aus Abb. i ersichtlich ist, können die für die Steuerung der
Treibmittel (Luft, Gas, (51, Zündung, Anlassen usw.) erforderlichen Kanäle oder
Glieder in den festen Böden des Arbeitszylirnders 3 angeordnet werden; statt dessen
können sie aber auch einzeln oder gruppenweise oder in einer größeren Mittelöffnung
durch die Flüssigkeitsführungen oder Windkessel derart hindurchgeführt werden, daß
sich erstere und letztere durchkreuzen, wie in Abb. 8 bei 41 und 42 mit gestrichelten
Linien und in Abb. 9 mit ausgezogenen Linien dargestellt ist.
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Die Leitvorrichtungen 32 und 39 sind zweckmäßig ringförmig
so angeordnet, daß beim Überströmen der Hilfsflüssigkeit ein möglichst großer Teil
der Flüssigkeit seine Arbeit sofort an dem folgenden Strömungsteil (Turbine oder
Arbeitsraum) zur unmittelbaren Ausnutzung weitergibt und nur ein Teil der Flüssigkeit
in dem betreffenden Windkessel gespeichert wird.
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Da bei dem Arbeitsverfahren der Brennkraftturbine große Geschwindigkeiten
und Drücke auftreten und bedeutende Flüssigkeitsmengen bewältigt werden müssen,
außerdem nicht nur wie bei Pumpen eine geräuschlose Absperrung und Öffnung der Durchlässe
gefordert wird, sondern auch die neue Aufgabe gestellt ist, der viel schneller als
bei Pumpen durchströmenden Flüssigkeit zugleich eine bestimmte Richtung und Geschwindigkeitsgröße
zu erteilen, sind in den meisten Fällen besondere Absperrglieder erforderlich, die
diesen Bedingungen entsprechen. Vorteilbaft werden diese Schwierigkeiten gemäß vorliegender
Erfindung durch die Vereinigung von Turbinenleitapparaten 46 mit anschließenden
fein unterteilten Federklappen 47 und 48 behoben (Abb. io bis 12). Dabei ist die
Einrichtung so getroffen, daß die Leitschaufeln 46 zusammen mit den steifen Teilen
47 die außerordentlich hohen Druckkräfte der Flüssigkeit bei der Explosion aufnehmen,
zugleich aber der Flüssigkeit schon in großen Zügen die gewünschte Richtung erteilen.
Die feinere Regelung der Strömung und die Erzielung der Abschlußbewegung soll den
federnden Klappen 48 zufallen, welche zweckmäßig nach Abb. i i und 12 aus einem
doppelten oder doppeltliegenden oder mehrfach lamellierten Federblech bestehen,
das an der Wurzel bei 49 irgendwie befestigt sein kann. Diese Bauart löst die genannten
Aufgaben mit der denkbar kleinsten bewegten Masse und höchsten Festigkeit.
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Besonders vorteilhaft werden diese Klappenleitapparate derart gebaut,
daß die bei a (Abb. ii) eintretende höchste Durchströmgeschwindigkeit bei b d urch
Wirkung der geöffneten Klappen nützlich verlangsamt und in
Pressung
verwandelt wird. Dies ist ein besonderer Vorteil bei allen Einrichtungen mit ungleichförmig
zuströmender Flüssigkeit, bei welchen infolge der vorkommenden Beschleunigungen
und Verzögerungen zeitweise hohe örtliche Druck- und Geschwindigkeitssteigerungen
vor oder hinter dem Ventil auftreten.
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Zur Steigerung der erwähnten Druckumsetzungswirkung werden die Leitvorrichtungen
zweckmäßig, wie gezeichnet, mit von innen nach außen gerichteter Strömung gebaut,
so daß beim Öffnen die Klappen sich erweiternde Kanäle bilden. Ferner bietet es
Vorteile, die Klappen in der Strömungsr ichtung der Flüssigkeit auf einen möglichst
langen Umfangsbogen zu verteilen, damit sie sich infolge der örtlich allmählich
fortschreitenden Druckveränderung jeder überströmsäule nacheinander öffnen und schließen.
Hierdurch werden die Ventilschläge und Verluste stark verringert.
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Ferner ist es vorteilhaft, die genannten Leitvorrichtungen an den
einzelnen Strömungsteilen (z. B. 3, 30, 40, So, Abb. 8 und 9) derart anzuordnen,
daß ein möglichst großer Teil der zugeführten Strömung seinen Weg möglichst unmittelbar
nach der Auslaßvorrichtung (Leitvorrichtungen oder überströmsäule) findet, ohne
erst durch Mischung mit dem Hauptinhalt des betreffenden Gefäßes seine Geschwindigkeit
teilweise zu verringern. Zur weiteren Verbesserung der vorliegenclen Erfindung können
nach Abb. 13 an den Stellen, an denen die glatten Mantelflächen 62 der Zylinderräume
3, 30 oder 4o an die spiralartig oder ähnlich anschließenden Überströmrohre oder
auch an etwa dort beginnende Leitvorrichtungen früher beschriebener Art anschließen,
gewissermaßen als Verlängerung der glatten Zylindermantelfläche dünne, stark federnde
Abdeckbleche 6o angebracht werden, welche während der Zeiten der Ausströmung sich
nach dem folgenden Strömungsteil (Kanal 61 oder Leitvorrichtung 46, Abb. to) öffnen
und dabei mit dem festen Körper 63 zusammen eine glatte, wirbelfreie Ausströmung
ermöglichen, während in den Förderpausen ein .glatter Gehäusennantel der umlaufenden
Flüssigkeit dargeboten wird. Durch die fischförmigen Stege 63 wird gleichzeitig
eine wesentliche Erhöhung der Festigkeit in der Längsrichtung des Zylinders erreicht.
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Melrzyliuclexmaschinen werden zweckmäßig dadurch gebildet, daß mehrere
Systeme, ähnlich Abb. 9, auf eüle Welle oder wenigstens in eine Linie gereiht werden,
jedoch so, daß entweder die Eintritts- oder Druckwindkessel für mehrere Verbrennungszylinder
gemeinsam sind, oder so, daß dabei die Turbinenräder gemeinsam sind.
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Zur Verhütung von Wasserschlägen wird zweckmäßig dafür gesorgt, daß
der Arbeitsflüssigkeit eine gewisse geringe Luftbeimischung erhalten bleibt. Zu
diesem Zwecke werden in den Kreislauf an einer oder mehreren Stellen Vorkehrungen
eingefügt, durch die die Einmischung von Luft auf künstliche oder natürliche Weise
hervorgebracht wird.
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Es ist häufig erwünscht, sowohl schädliche Schwingungen der Flüssigkeitssäulen
zwischen den: eiwehlen Spiegeln abzudämpfen wie auch die Schwingungszahl derselben
durch Anderung der Federkraft des Windkessels in gewissen Grenzen einzustellen,
um schädliche Resonanzschwingungen zu beseitigen. Zu diesem Zwecke werden zweckmäßig
die Windkesselpufferräume - durch Verbindungsrohre und regelbare Absperrvorrichtungen
mit außerhalb liegenden Räumen in Verbindung gebracht, wodurch der Pufferinhalt
nach Belieben verändert und dadurch eine Dämpfung der Schwingungen erzielt werden
kann.
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Aber auch umgekehrt kann es in gewissen Fällen Vorteile bieten, absichtlich
eine bestimmte Resonanz zwischen einzelnen oder mehreren Paaren von Spiegeln herbeizuführen,
um besondere, nützliche Wirkungen, z. B. eine selbsttätige Unterstützung der Auspuff-,
Spül- und Ladevorgänge oder eine Veränderung der Spielzahl der Maschine oder der
Druckverteilung in irgendwelchen Teilen derselben zu erzielen. Diese Regelung ist
bei den vorliegenden Anordnungen noch deshalb besonders wirksam, weil sie hier durch
die gleichsinnige Wirkung der Vergrößerung oder Verkleinerung der Flüssigkeitsschwungringe
verstärkt wird.
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Selbstverständlich können außerdem noch alle bekannten Mittel zur
Veränderung von Schwingungszahlen (z. B. Veränderung der Säulenlängen) sowie andere
an sich zum Teil bekannte Dämpfungseinrichtungen, z.B. Drosselungs-, Reibungs-,
Wirbelungsstellen für die Flüssigkeit oder die Gasinhalte, Bremszylinder mit Kolben,
die einerseits vom Gas, anderseits von Flüssigkeit bespült werden, ablenkende Leitwände,
Hilfswindkessel, die an besonderen Stellen ein- oder ausgeschaltet sind, Rückschlagglieder,
die ein Rückschwingen verhindern oder dämpfen, damit vereinigt werden.
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DasArbeitsverfahren der Brennkraftturbine besteht also darin, :daß
die in dem Arbeitsraum von dem Treibmittel auf die Hilfsflüssigkeit übertragene
Energie in einer unmittelbar an diesen angeschlossenen oder einen enggeschlossenen
Kreislauf mit ihm bildenden Turbine unmittelbar ausgenutzt wird. Durch .diese Vereinigung
der arbeitenden Teile werden viele Verluste vermieden.
Es ist dabei
möglich, die aus dem Arbeitsraum ausgestoßene Hilfsflüssigkeit zum Teil zu anderweitiger
Verwendung abzuzweigen und dauernd durch neue Hilfsflüssigkeit zu ersetzen, womit,
wie vorstehend bemerkt, eine Kühlung der Flüssigkeit verbunden werden kann.
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Man kann aber auch Hilfseinrichtungen oder Hilfsmaschinen zum Betrieb
der Brennkraftturb ne (z.-B. Turbogebläse, Kühlpumpe,, Windkesselauffüllung mit
Luft, Flüssigkeitsersatz) dadurch antreiben, daß derHauptteil des Treibmittels seine
Arbeit unmittelbar an die Flüssigkeit abgibt, während ein kleinerer Rest desselben
unmittelbar (d. h. ohne Vermittlung von Hilfsflüssigkeit) eine oder mehrere der
genannten Hilfseinrichtungen antreibt (z. B. durch eine Luftturbine oder -etwa für
die Windkesselauffüllung - nach vorheriger Kühlung).
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Es ist ferner möglich, die gesamten Räume unter höheren Anfangsdruck
zu setzen, indem die Hilfsflüssigkeit durch eine am Eintritt angeschlossene beliebige,
diesem Zwecke dienende Zuführungsvorrichtung (Hilfspumpe, Zuflußbehälter, Akkumulator,
Injektor) mit höherem Druck eingeleitet wird.