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Gasturbine mit HilfsflüssiAeit Man kennt bereits Gasturbinen mit Hilfsflüssigkeit
und je zwei abwechselnd arbeitenden Brennkammern sowie Flüssigkeitskammern, in denen
die Verbrennungsgase unmittelbar auf die das Laufrad treibende Flüssigkeit einwirken.
Weiter hat man bei solchen Maschinen auch schon vorgeschlagen, die Brennkammer während
ihrer Ladung mit brennbarem Gemisch nicht in Verbindung mit den Flüssigkeitskammern
zu bringen, vielmehr diese Verbindung erst herzustellen, wenn die Verbrennung erfolgt
ist. Auch die Steuerung eines Abflußorgans durch einen von der Hilfsflüssigkeit
bewegten Schieber ist bekanntgeworden.
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Vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Bekannten dadurch, daß
in jeder Brennkammer sich ein verschiebbarer Hohlkolben befindet, der zunächst während
des Einströmens des frischen Gemisches in die Brennkammer mit Gemisch angefüllt
und durch den Druck desselben aufwärts bewegt wird, bis er den Zuleitungskanal für
das Gemisch absperrt, und sodann nach erfolgter Verbrennung des Gemisches durch
den Druck der Verbrennungsgase weiter aufwärts bewegt wird, bis er das Ventil anhebt,
durch welches die Verbrennungsgase in die Flüssigkeitskammer strömen, um die Flüssigkeit
zum Laufrad zu drücken. Es strömt aber nicht alle Flüssigkeit zur Turbine, sondern
ein kleiner Teil dient zur Zurückführung des Hohlkolbens.
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Dadurch, daß das brennbare Gemisch unter Druck in den Hohlkolben eintritt,
ist das Gemisch unabhängig von der Maschinenbelastung immer gleichmäßig und richtig
dosiert zuführbar, wobei es gleichgültig ist, welche Gasmengen in jedem einzelnen
Falle erforderlich sind. Hierdurch wird es möglich, immer eine vollständige Verbrennung
und beste Brennstoffausnutzung zu erzielen. Der Wechsel in der Arbeitsleistung wird
durch eine unterschiedliche Einstellung der Durchlaßweite für die unter dem Einfluß
des Triebmittels stehende Flüssigkeit erreicht.
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Eine Ausgleichsflüssigkeitskammer sorgt immer für vollständiges Ausfüllen
der Arbeitsteile mit Flüssigkeit, um durch Verdunstung verlorene Flüssigkeit zu
ersetzen und als Aufnahmeraum bei geringer Leistung zu dienen bzw. bei Flüssigkeitsmangel
infolge Leistungszunahme Flüssigkeit in den Kreislauf einzuführen. Auf diese Weise
wird die Wirkung der Umlaufflüssigkeit auf das Turbinenrad gleichmäßig, und dadurch,
daß dieses selbst axial verschiebbar gelagert ist, werden in einfacher Weise durch
Änderung
des Durchströmquerschnittes für die Flüssigkeit auch Änderungen
der Drehzahl bzw. der Leistung ermöglicht.
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Eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist in der Zeichnung
als Zwillingsmaschine dargestellt mit je einer Verbrennungskammer und einem Flüssigkeitsraum,
aus dem die Flüssigkeit auf ein gemeinsames Turbinenrad getrieben wird. Hierbei
steuern sich die Arbeitsmittel jedes Maschinensatzes gegenseitig, und durch das
Öffnen eines Ventils einer Flüssigkeitskammer kann sich das andere unter dem Zufluß
der Flüssigkeit schließen.
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In der Zeichnung zeigen: Abb. i einen Schnitt durch den Apparat nach
Linie i-i der Abb. 2, Abb. 2 einen Schnitt durch den Apparat nach Linie 2-2 der
Abb. i teilweise in Ansicht, Abb. 3 einen Längsschnitt durch den Regelungshahn nach
Linie 3-3 der Abb. ¢, Abb. 4 einen Schnitt nach Linie q.-4 der Abb. 3, Abb.5 einen
verkleinerten waagerechten Schnitt durch die Ventilkammer, Abb.6 eine schematische
Darstellung zweier zusammenarbeitender Verbrennungskammern, Abb. 7 eine schematische
Darstellung der Verbrennungskammer im Augenblick der Zündung, Abb.8 eine schematische
Ansicht der Steuerungseinrichtung der Schwimmerventile in den Flüssigkeitskammern.
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Jede Verbrennungskammer ist in einem Zylinder i untergebracht, dessen
Boden von einem Ventilteller 2, der sich nur nach oben öffnen kann, abgeschlossen
ist. Der Zylinder ist mit einem Wassermantel 3 mit Einlaßrohr 4 und Auslaßrohr 5
umgeben. Die Zufuhr des unter Druck stehenden Verbrennungsgemisches geschieht durch
Rohr 6. Der Zylinder i ist von einer Haube 7 mit Führung 8 und Kanal 9 abgedeckt.
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Im Zylinder i lagert ein Hohlkolben io mit Öffnung i i, durch welche
das Verbrennungsgemisch hindurchtreten kann. In der Seitenwand des Kolbens io am
Boden befindet sich eine Reihe kleiner Öffnungen 12 und im Boden selbst eine kegelige
Öffnung 13, die durch einen Ventilteller 14 abgedeckt werden kann. Der Deckel des
Hohlkolbens io trägt in einer Führung 15 die Ventilstange für die Teller 14 und
2 und an der Außenfläche eine Ledermanschette 16, die an den Innenwänden des Zylinders
i entlang gleitet, sowie schließlich noch ein Rohrstück 17 mit einander gegenüberliegenden
Kanälen 18 und einer kleinen Öffnung i9.
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Der Oberteil der Haube ist mit einer Stellschraube 2o versehen, mit
welcher der Druck einer Feder 21 geregelt werden soll, die auf einen mit Stulpdichtung
23 versehenen Zapfen 22 wirkt, womit das mit Kanälen 18 und Öffnung i9 versehene
Rohr 17 abgeschlossen wird.
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An der Seite besitzt die Haube 7 zwei übereinanderliegende Ansätze;
der obere stellt mit Leitung 24 die Verbindung der beiden Hauben 7 (A und B, Abb.
2) untereinander und mit der Ventilkammer 25 (Abb. 5) und durch Kanal 26 die Verbindung
der Haube 7 mit dem Druckregelungshahn R her, dessen Einzelteile aus den Abb. 3
und 4 zu ersehen sind.
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Der untere, als Zylinder 27 ausgebildete Ansatz steht durch einen
Kanal 2,8 mit dem Druckregelungshahn R in Verbindung und nimmt zwei an einer
gemeinsamen Stange 31 sitzende Kolben 29 und 30 auf. Der Kolben 29, welcher
der Haube 7 am nächsten liegt, ist ein Vollkolben, während der Kolben 30 als Hohlkolben
ausgebildet und dazu bestimmt ist, die Öffnung zum Kanal 28 für den Druckregelungshahn
R abzudecken. Auf der einen Seite stößt die Kolbenstange 31 gegen das Rohr 17; andererseits
geht die Stange durch den Deckel des Zylinders 27, in welchem sich die zwei Kolben
29 und 3o bewegen. Dieser Deckel wird durch ein Schraubstück 32 gebildet, das eine
Lager-und Führungsbüchse 33 trägt, auf der eine Scheibe 34 sitzt, welche vom gekreuzten
Gestänge 35 gesteuert wird, das andererseits durch Gelenkstück 37 mit der Stange
für den Ventilteller 36 der jeweils anderen Gruppe der Brennkammern verbunden ist.
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Die Druckregelungsvorrichtung besteht aus dem Gehäuse 38 mit den Rohren
26 und 28, die einerseits zur Leitung 24 und andererseits zum Zylinder 27 führen.
Im Gehäuse sitzt drehbar das Hahnküken 39, das durch Bohrung 40 ständig in Verbindung
mit dem Zylinder 27 steht. Senkrecht zu dieser Bohrung 40 steht ein Kanal 42, der
mit dem Auslaßrohr 26 in Verbindung ist und, wie aus der Schnittabb.4 zu ersehen,
in Höhe der öffnung 41 spiralförmig um den Hahn, läuft, indem der Durchmesser des
Hahnes auf dem ganzen Umfang ständig geringer wird. Die größte lichte Weite des
Umlaufkanals 42 entspricht derjenigen der Öffnung 41 und verringert sich allmählich
auf Null, nachdem der ganze Umfang durchlaufen ist. Die Umlaufkanäle der beiden
Druckregelungshähne R für beide Verbrennungskammern A und B
liegen
symmetrisch zur Ebene der Achse, welche die zwei Gruppen voneinander trennt, und
sind von außen einstellbar.
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Der Zylinder i sitzt auf der Flüssigkeitskammer 45, die von dem Ventilteller
36 mit Gassammelraum 46 abgedeckt ist, in dessen
Wandung eine Führungsstange
für den Schwimmer 48 gleitet, der regelbar an der Stange angeordnet ist. Im Unterteil
der Kammer 45 befinden sich diametral einander gegenüberliegend zwei Öffnungen für
Ventilsitze, wovon eine mit einem nach außen sich öffnenden Ventil 49 und die andere
mit einem nach innen sich öffnenden Ventil So versehen ist. Beide Ventile führen
in zwei andere halbzvlindrischeKammern 25 und 51, wovon die eine die sich nach außen
öffnenden Ventile der beiden Gruppen, die andere die nach innen sich öffnenden Ventile
besitzt. Diese Kammern tragen V erschlußteller 52, die als Führungen für die Ventile
dienen.
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Eine Ausgleichskammer 53 (Abb. 2, 5), welche mit den Ventilkammern
25 und 51 durch Ventile 54 und 55 verbunden ist, steht mit beiden Kammern 45 in
Verbindung. Die Ventile 49 und 5 5 sind mit Federn versehen, die sie auf ihren Sitz
pressen; die Ventile 54 und So haben keine oder nur sehr schwache Federn.
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Von den beiden Ventilkammern 25 und 51 aus wird die Turbine durch
Zulaufkanal 56 durch die unter Druck einströmende Flüssigkeit angetrieben, die durch
einen Auslaufkanal 57 mit einer Reihe fester Leitschaufeln 58 abgeht. Diese Schaufeln
haben den Zweck, die Flüssigkeitsstrahlen bei ihrem Austritt aus dem Rad parallel
zu führen. Die tiefste Stelle des Gehäuses 59 ist mit einem Auslaßloch versehen,
das durch einen Schraubzapfen 6o verschlossen wird.
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Das Gehäuse 59 trägt die Welle 68 in Stopfbüchsenabdichtungen 69 und
besitzt ein Kugellager 61, gegen welches eine kreisförmige Scheibe 62 seitlich anliegt,
während die Kugeln gegen die Stirnseite einer Scheibe 64 anliegen, welche die Schaufeln
63 des Turbinenrades mit der Scheibe 65 gemeinsam aufnimmt. Die Scheiben 64 und
65 sind fest mit einer Hohlwelle 66 verbunden, die einerseits über das Gehäuse
59 hinaus verlängert ist und die Übertragungswelle 68 aufnimmt. Auf Welle
68 kann die Welle 66 verschoben werden. Die Schaufeln 63 treten dabei durch entsprechende
Schlitze in der Scheibe 62 hindurch.
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Die Scheibe 65 sitzt an einem Zylinder 67 gleichen Durchmessers. Zwischen
den beiden Scheiben 64 und 65, welche die Schaufeln 63 tragen, ist die Platte 62
untergebracht, welche mit ihrer Fläche gegen die Kugellager 61 anliegt und für den
Durchtritt der Schaufeln 63 mit Öffnungen versehen ist.
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Durch seine Verschiebbarkeit längs der Achse erlaubt das Turbinenrad
Änderungen in der Drehzahl durch Veränderung des Durchströmquerschnittes für die
Flüssigkeit. Die Scheibe 62 bleibt hierbei gegen die Kugeln gedrückt stehen, während
das ganze Stück 64, 65 und 67 längs der Achse verschiebbar ist.
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Abb. i zeigt den Zustand einer Verbrennungskammer vor der Zündung.
Haube 7, Rohr 17, Verbindungsleitung 24, Turbine, Ventilkammern, Ausgleichskammern
sowie die Kammern 45 sind mit Wasser ganz bzw. teilweise gefüllt, und das Ventil
36 ist geschlossen. Die Verbrennungsgase dringen unter Eigendruck durch Zuleitung
6 und Offnun- i i in den Hohlkolben io und heben denselben so weit bei geschlossenem
Ventil 2, bis die Öffnung ii vom Mantel i verschlossen ist. Nun wird das Gasgemisch
entzündet, der Kolben io wird hochgetrieben und treibt die Flüssigkeit durch den
Regelungshahn R, der j e nach seiner Stellung mehr oder weniger Flüssigkeit durchläßt.
Der Kolben io steigt so lange, bis der Ventilteller 14 die Öffnung 13 verschließt
und die Kolbenstange 31, durch den Druck gegen das Rohr 17 vorgetrieben, in die
Öffnung i9 eindringen kann. Durch die Bewegung der Stange 31 ist auch der Hohlkolben
3o verschoben worden, der die Öffnung 28 abdeckt, welche zum Druckregelungshahn
h führt, der nur mit der Hand eingestellt wird. Liegt der Ventilteller 14 in der
Öffnung 13, so wird das mit seiner Stange verbundene Ventil 2 angehoben. Die Verbrennungsgase
strömen in die Kammer 45, um die Flüssigkeit zum Laufrad zu drücken. Die aus einer
Flüssigkeitskammer, z. B. 451 (vgl. hierzu Abb. 6), durch die Verbrennungsgase herausgedrückte
Flüssigkeit strömt zum größten Teil über Kanal 56 der Turbine zu und gelangt danach
durch Kanal 57 zum anderen Flüssigkeitsbehälter 452. Der Rest der Flüssigkeit geht
durch Leitung 241 in den Raum 71 über den Hohlkolben iol und drückt den Hohlkolben
iol sowie den Steuerkolben 291 in die Ursprungslage zurück.
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Jede Flüssigkeitskammer 451 und 452 besitzt je ein Auslaßventil 361
und 36, für die entspannten Gase nach erfolgter Explosion, die jeweils in dem Augenblick
stattfindet, in welchem die Flüssigkeit z. B. in der Flüssigkeitskammer 451 ihre
oberste Höhe erreicht hat. Hierbei schließt sich das zugehörige Ventil 361 und gibt
das Ventil 362 des Flüssigkeitsraumes 452 durch das Gestänge 352 frei, das hierbei
durch Verdrehen des Hebels 341 einen Zündkontakt schließt. Die Auslaßventile 361
und 362 führen mit dem in der Höhenlage regelbaren Schwimmer 481 und 482 beim Steigen
der Flüssigkeit ihren Verschluß selbst herbei. Das Ventil 361 wird in der Schließlage
durch die Sperre 371 des Hebels 341 verriegelt, der bei 331 drehbar gelagert ist.
Der Hebel 341 ist mit dem Ventil 362 der Flüssigkeitskammer 452 durch das
Gestänge
352 so verbunden, daß das Ventil 361 sich erst dann öffnen kann, wenn sich
das Ventil 362 selbst geschlossen und dabei die Verschiebung der Sperre
37, bewirkt hat.
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Nach erfolgter Explosion geschieht die Spülung der Brennkammern ci,
c2 (Abb. 6) in der Weise, daß die verbrannten Gase von den Frischgasen beim Niedergang
der Hohlkolben ioi, io. durch die offenen Ventile 21, 22 in die jeweils im oberen
Teile wasserfreien Räume 451 und 452 ausgetrieben werden und vor dem Schließen der
Ventile 361 und 362 ins Freie entweichen können. Das Frischgas- gelangt aus
den Öffnungen 12" 12. der Hohlkolben ioi, io. in die Räume ci, c2.
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Aus Abb. 6 ist auch der Anschluß der Ausgleichskammer C, 53, zu ersehen,
die einerseits mit dem Zulaufkanal 56 für die Turbine durch Ventil 54 und mit dem
Auslaufkanal 57 durch Ventil 55 verbunden ist. Aus dieser Ausgleichskammer C, 53,
saugt das Laufrad Flüssigkeit an, sobald der Flüssigkeitszustrom aus einer Flüssigkeitskammer
infolge sinkenden Verbrennungsdruckes nachläßt. Überschüssige Flüssigkeit wird dagegen
in den Ausgleichsbehälter zurückgedrückt, sobald der Zustrom aus einer Flüssigkeitskammer
wieder normal ist.
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Bei der in Abb. 7 dargestellten Lage befindet sich der Kolben io in
der Stellung, in welcher die Explosion vor sich gehen kann. Diese Stellung ist unabhängig
vom Druck der Gase im Kolben. Der Druck ist dabei von der Menge frischen Gases abhängig,
die durch einen nicht besonders dargestellten Kompressor durch das Rohr 6 in das
Innere des Hohlkolbens io eindringen kann. Der Druck im Kolben ist also eine Funktion
der Geschwindigkeit, mit welcher sich der Aufstieg des Kolbens io vollzieht.
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Beim Anheben muß der Hohlkolben io die über ihm lagernde Flüssigkeit
durch Rohr g in den Zylinder 27 führen, von wo sie durch Kanal 28, in welchem der
Regelungshahn R liegt, austreten kann. Die Durchlaufgeschwindigkeit der Flüssigkeit
hängt vom Durchlaßquerschnitt des Regelungshahnes R ab, der von außen nach Belieben
eingestellt werden kann. Je größer dieser Durchlaßquerschnitt ist, um so schneller
erfolgt der Anstieg des Kolbens io und um so geringer wird die Gasmenge, welche
in den Kolben io eintreten kann, und um so geringer ist auch. der Druck des Gases
im Innern des Kolbens. Je geringer aber der Durchlaßquerschnitt im f-Iahn R bleibt,
um so langsamer vollzieht sich der Aufstieg des Kolbens io und um so stärker wird
der Druck des Gasgemisches im Innern des Kolbens io, da der Kompressor genügend
Zeit hatte, größere Mengen Frischgases einzupressen.