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Kraftmaschine mit Antrieb durch eine Hilfsflüssigkeit Die Erfindung
betrifft eine Kraftmaschine, .durch welchedas in einem gasförmigen Stoff, z. B.
Dampf, Explosionsgase-, Preßluft usw., aufgespeicherte Druckgefälle in eine
lebendige Kraft umgeformt wird. Sie gehört zu der Maschinenart, welche bei der Erzeugung
der Bewegung an Stelle eines Kolbens eine. Flüssigkeit zu Hilfe nimmt. Maschinen
dieser Gattung sind vielfach bekanntgeworden, je-,doch sind bei allen diesen Maschinen
die Hilfsflüssigkeit am äußeren und die Gase arn inneren Schaufelradumfang -angeordnet,
wob ei die durch die sich entspannenden Gase erzeugte Flüssigkeitsbewegung vom-
inneren zum äußeren Schaufelradumfang hin erfolgt. Diese Anordnung bei Maschinen
mit Hilfsflüssigkeit hat den Nachteil, daß sich der trägflüssige Stoff (die Flüssigkeit)
nin äußeren Umfang des Schaufelrades, der Stelle dex größten Geschwindigkeit, die
leichtflüssigen Gase dagegen am innexten Schaufelradumfang oder im inneren Schaufelradgehäuse
befmdet, wodurch große Reibungsverluste auftreten. Diese Reibungsverluste werden
verstärkt du#rch die in der Flüssigkeit bei schneller Drehbewegung entstehenden
Fliehkräfte, welche einen Druck auf Gehäuse un4-Schaufelra,d:wand:ungen hexvorrufen.
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Man hat versucht, durch Mischen der Treibgase mit der Hilfsflüssigkeit
letztere leichtflüssigex zu. machen. Dieses Verfahren. kann jedoch nach. überwindung
großer Schwierigkeiten nur zu einem kleinen Teilerfolg bezuglich der Verminderung
der Reibungsverluste führen. Hierbei treten jedach andere, beson ders ungünstig
wirkende Schwierigkeiten, wie !die restlose schnelle- Trennung von Gas und Flüssigkeit
nach heeudeter Entspannung, auf. Diese Nachteile sollen durch die vorliegende Erfm,dung
vermieden werden. Letztere besteht darin, daß sich die unter dein Druck eines gasförmigen.
Stoffesstehhende Hilfsflüssigkeit aus einek Schaufeilkanal radial von außen nach
innen durch einen innerhalb des Schaufelkranzes gelegenen Raum. in einem anderen
Scheiufelkanal -raldial von innen nach außen bewegt.
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In der Zeichnung ist dieselb6 beispielsweise .dargestellt.
Fig. i und 2 zeigen den Grundgedanken in einer Ausführungsforni beispielsweise,
Fig. i als Tadialer, Fig. 2 als wxialer Schnitt.
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In dem Gehäusea dreht sich das Schaufelradb um die Achsee in Pfeilrichtung.
Oben am Gehäuse ist der Gasektritt e und der -austrittf. Das Gehäuse nebst Schaufelrad
wird -mit einer Flüssigkeit gefüllt, welche entspre-.chend Adern gasförmigen, Stoff
gewählt wird, z. B. bei Dampf Quecksilbern bef heißen Gasen' Wasser, bei Preßluft
Glycerin oder eine andere kältebeständige Lösung.
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Die Wirkungsweise der Maschine ist folgende. Die gasförmigen Stoffe
treten dura .den Eintritisstutzen e in idas - Schaufelrad, b ,am Umfang tclexselbegi
ein und entspannen sich in dem Kanälen. De.T Entspannungsraum entsp.richt einer
am inneren Kreisumfang angelehntezi VenturidÜse, deren innere, zurücktretend
-eP,auxnbegren7ung,d,ur-cli
die elastische Flüssigkeitsmasse, gebildet wird. Die Bewegung des Schaufelrades
erfolgt durch die Strömungsbewegung !der Gase vom Eintrittszum Austrittspunkt.
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Bei radialer oder rückwärts gel#:rümmtet, Schaufel besteht jedoch
bei der vorliegenden Maschine,derNachteil, daß in der Flüssigkeit bei sc.Imieller
Drehbewegung des Schaufelrades Fliehkräftei ausgelöst werden, welche ,der Entspannung
dex Gasei entgegenwirken und dadurch die vollständige Ausnutzung der Gasspannung
verhindern. Um diese Fliehkräfte nicht entstehen zu lassen, werden die Schaufelkanäle
in Richtung des DrehsiDnes nach vonvärts gekrümmt, so daß die Radumfangstangente
mit der am gleichen Radius liegenden Tangente der Schaufelkrümmung einen spitzen
Winkel bildet. Ist dieser Winkel klein, so entstehtinderSchaufeleineSchaufelarbeit,
d. h. die Flüssigkeit wird beim Drehen infolge ihres Beharrunggsvermögens
vom äußeren Umfang zur Mitte hin bewegt. Bei geschlossenem Schaufelrad, bel dem
keine Flüssigkeitsbewegungstattündenkann, tritt ao Stelle der Bewegung ein. entsprechend'großer
dynamischer Druck innerhalb der Flüssigkeit auf, welcher im MittHpunkt am größten
und der auftretendän Fhehkraft entgegengerichtet ist. Es besteht die Möglichkeit,
durch .Wahl der Winkelgrößender Tangentenwinkel in Verbindung mit der Umfangsgeschwindigkeit
gewünschte dynamische Drücke zwischen Null und einem größten Wert zu erzeugen. Die
Flüssigkeit bildet beim Umlauf durch die- Schaufelarbeit eine in sich zusammengehaltene
ela#stische runde Mass', bei der ein Zerstäuben oder Zerschleudern der Flüssigkeit
in ddn Gasraum hinein nicht eintreten kann.
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-Die Maschine strullt in der vorstehenden Form eine reine Strömungsmaschine
dar, welche bei kleineren Leistungen einen schlechteren. Wirkungsgrad als die Kolbenmaschinen
aufweisen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es ratsaxn, bei Schaufelrädern.
mit Hilfsflüssigkeit die Schaufelkanäle ähnlichwie bei der Kolbenkraftmaschine als
Zylinder aiiszubilden und mit einer Kopfwand zu versehen. Diese Ausführung ist in
größerem Maßstab in Fig. 6 dargestellt. Der Kanal o bildet einen in sich
geschlossenen, schlauchartigen Raum gleichdem Zya-der einer Kolbenmaschine, an,desseh
eineih Ende der Gaseinstr6mka-nalp vorgesehen ist. Der Kolben wird durch die Flüssigkeit
gebildet. An der Kopf wand sowie an der Flüssigkeitsoberfläche im Kanal entstehendie
durch Pfeile markierten, Kxäfte, welche in der Kraft)o zusammengefaßt dargestellt
sind. Sie entspricht dem Kolbendruck ül einer KolNenmaschine. Die Kraft P zerlegt
sich durch die Schräglage des Kanals in die KräfteP1 und P2. Hiervon wird die Kraft
Pl vom Baustoff aufgenommen, und P2 erzeugt am Hebelarm R ein Drehrnoment.
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Die erzeugten Geschwindigkeiten des Rades Jind der Flüssigkeit sind
umgekehrt proportional den Widerständen, welche den auftretenden Kräften. entgegengesetzt
wirken. Bei einer im nachstehhenden noch zu beschreibenden Ausführung wird die Flüssigkeit
durch stillstehende Kanäle einem Schaufelkanal der Austrittsseite zugeführt, und
hier wird die entstehende Flüssigkeitsströmung in ein gleichgeartetes
und gleichgerichtetes Drehmoment umgeformt, so daß die gesamte Energie in
Arbeit umgesetzt wird. Die Umformung kann an dieser Stelle erfolgen, einmal als
Flüssigkeitsschlag gegen die Kanalkopfwand, wobei die Schaufelkanäle von etwa anhaftenden
Verbrennungsrückständen freigespült werden, oder man kann den Gasaustrittsschlitz
im Gehäuse so kurz anordnen, daß durch Verdichtung der Gase ein sich steigernder
Druck auf die Kanalkopfwand ausgeübt wird und beim Ausströmen der Gase ein Rückstoß
derselben erfolgt. Die Anordnung der Einströmka;näle in der gezeichneten Form ermöglicht
# eine Ums#etzung der Ein-und Ausströrngeschwindigkeiten. in ein Drehmoment, welches
der vorhandenen Drehrichtung gleichgerichtet ist. Alle gewünschten Ein- und Austrittsöffnunggen,
welche zur Beeinflussung der- Entspannung oder Ausströmungen benötigt werden, können
am stillstehenden Gehäuse angebracht werden und benötigen außer ihr-er Größenverstellung
keinerlei Bewegung.
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Wie aus dem in Fig.6 eingezeichneten Kräfteverhältnis hervorgeht,
wird die KraftP2 und mithin das Drehmoment um so größer, je spitzer der Tangentenwinkel
gewählt wird; gleichzeitig steigen hiermit aber auch die Schaufelarbeit und der
dynamische Druck im Mittelpunkt des Schaufelrades.
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Die :durch Entspannung und Auspuff verdrängte FlüssIgkeitsmenge wird
beim Anlauf durch den Auspuff herausgeschleudert. Eine solche Anordnung gestattet
keine Belastungsschwankungen, da in einem solchen Falle .ein Ersatz für zuviel herausgeschleuderte
Flüssigkeit nicht mehr eintritt und.das gute Arbeiten der Maschine gestört wird.
Um nun bei Belastungsschwankungen die benötigte Flüssigkeitsmenge im Schaufelrad
zu behalten, ist es, erforderlich, einen Ausgleichbehälter anzuordnen, welcher entweder
mit dem Flüssigkeitsspiegel, so hoch angebracht wird, daß die für den Rückstoß im
Schaufelrad benötigte Flüssigkeitsmenke indemselbenverbleibt, oder es wird dieser
Ausgleichbehälter geschlossen und oberhalb des Flüssigkeitsstandes
ein
Gaspolster des betreffenden AntrIebsstoffes hergestellt, dessen Druck mittels einer
Regelvorrichtung entsprechend geregelt wird. Das Gleichgewicht der Flüssigkeit wird
hergestellt durch die Schaufelarbeit einerseits gegenüber Flüssigkeitshöhe, Fliellkraft
und Polsterdruck andererseits. Eine zusätzliche Erhöhung des Polsterdruckes wird
angewandt für das Füllen des Schaufelrades an der GasaustrIttsstelle. Es ist hierbei
gleichgültl,- wie der Polsterdruck erzeugt wird, durch Abzweigung von gedrosselten
Antriebsgasen oder durch gesonderte Erzeugung. Auch kann an SteR.edes Gaspolsters
ein Kolben mit entsprechender Gewichtsbelastung treten. Bei Gegendruckmaschinen
ist z.B. ,die letztgenannte Anordnung mit künstlichem Druck auf den Flüssigkeitsspiegel
Bedingung.
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In Fig. 2 und 5 ist idex Ausgleichbehälter d
dargestellt.
Bei diesen Darstellungen erfolgt das Auswiegen der Schaufelarbeit dürch die Flüssigkeitshöhe.
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Beim Antrieb der Maschine durch heiße Gase. und Wassex als Flüssigkeit
tritt eine Ve-rdampfung des Wassers ein. Da diese Dampfe mit den Abgasen dauernd
verlorengehen, muß -die Flüssigkeit ersetzt werden., was mittels Schwinmiregeliung
im Ausgleichbehälter erfolgen kann. Eine Wiedergewin,-nung der Flüssigkeit aus den
Abgasendurch Kühlung derselben und Wiederverwendung ;der Flüssigkeit ist möglich.
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In Fig. 3 ist ein solcher Ausgleichbehälter, wie vorstehend
beschrieben, beispielsweise dargestellt. Der AusgleIchbehälterd ist ein geschlossener
Hohlkörper, in dem im oberen Teil -das Gaspolster vorgeselien is-t. Der Flüssigkeitsstand
wird durch das. Schwimmventilg, welches um Eintritt #dex Flüssigkeit angebracht
ist, geregelt. Die Regelung, des Polsterdruckes gpschleht bei der gezeichneten Ausführungsform
durch Anschluß des oberen Stutzensk am Ausglelchbehälter an einer SteI-le des Gehäuses,
z. B. Stutzen- 1
(Fig. i), an welcher der gewünschte Polsterdruck in den Kanälen
des Schaufelrades herrscht. Bei Brennkraftmaschinen. hat diese Anordnung -den Vorteil,
daß Dampf, welcher sich an der Oberfläche idex Flüssigkeit im Ausgleichbehälter
bildet, nicht zur Erhöhung des Polsteridruckes führt, sondern dieser Dampf tritt
in das Schaufelrad ein und wird hier noch #.ausg!#n-utzt. Auch fällt jegliche Vorrich#tung
zur Erzeugung des Polsterdruckes, der für sich wieder einen Euergieverlust bildet,
fort.
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Die Form des Flüssigkeitsinhalts und somit auch die geordnete Wirkungsweise
der Maschine wird beherrscht vondeni Verhältnis Gasfüllung und Entspanntungsgeschwindigkeit
einerseits, zum StrömungswIderstand der
Flüssigkeit und de# Umdrehungsgeschwindigkeit
andererseits. Bei Verringerung der Umdrehungszahl oder beim Anfahren steigt nun
die Füllung, wodurch der benötigte: Entspannungsraum stark vergrößert wer-den kann,
und zwar so stark, daß ein Übertritt eines Teiles der Antriebsgase in den Ausgleichbehälter
möglich ist. Die Verteilung der Entspannungswirkung auf den dafür bestimmten T.«d
.des Schaufelradumfanges würde in diesem Falle verhindert. Um nun ein solches überströmen
beim Anfahren oder bei Überlastung ,der Maschine, in'diesem Fall Schaffung eines
zu großen Drehmoments bei Rückgang der Umdrehungsgeschwindigkeit, zu verhindern
und die Verteilung der Entspannung auf den ,dafür bestimmten Schaufelradumfang zu
erzwingen, ist es ratsam, durch Drosselung des Flüssigkeitsstromes die Entspannungszeit
künstlich zu verlängern.
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. Eine Vorrichtung hierzu ist in Fig. 3 dargestellt.
Am inneren Ende der Schaufel ist ein Rundschieber k angebracht, welcher axial
verschiebbar ist. Der Drosselrand des Schiebers braucht nicht, wie einfachheitshalber
gezeichnet, gleicli hoch ausgeführt zu sein, sondern kann den im Schaufelrad geweschten
Druckverhältnissen durch entsprechende Zurückverlegung der Drossel-Räche angepaßt
werden. In einem solchen Falle darf der Schieber sich nicht mit dem Schaufelrad
drehen. Die Verschiebung -kann mit Hilfe eines Reglers in Abhängigkeit der Umdrehungszahl
-und dein Eintrittsdruck der Gase durch eine beliebige Steuerung, z. B. Fliehkraft-oder
öldruckregler, erfolgen.
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Die durch die Entspannung der Gase er# zeugte Energie wird in mechadsche
Arbeit umgesetzt, und zwar durch Rückstoß auf.,die Kanalkopfwand am Umfang des Schaufelrades
strömung. und Der zur Erzeugung Rückstoß erzeugt der Flüssigkeits' ein Drehmoment
und wird somit in Arbeit umgeformt. Die zur Erzeugung der Flüssigkeitsströmung verbrauchte
Energie geht in dem in der Mitte des Schaufelrades sich bildenden Stru-del
durch innere Reibung der Flüssigkeit und der damit verbundenen Wärmebildung zum
größten Teil verloren. - Um die. für die Flüssagkeitsströmung - aufgewandte
Energie nach Möglichkeit wiederzugewinnen, ist es ratsam, die Bildung von Strudeln
in der Mitte des Schaufelrades zu verhindern und die Flüssigkeitsströmung zur Bildung
eines RückstoBes an der Ausströrnseite zu verwenden. Zu diesem Zweck wird der in
der Mitte des Schaufelrades befin dliche freie Raum mit feststehenden Überleitungskanälen
versehen, welche. den Flüssigkeitsstrom zu den entsprechenden-Schaufeln der Ausströmseite
leiten. EineAuus führtuigsform ein-er solchen Anordnung ist in
Fig.
4 und 5 beispielsweise dargestellt. In -dem Schaufelradb ist das Kanalstückl
vorgesehen, welches an der dem Ausgleichbehalter zugewandten Seite befestigt ist.
Die Kanäle: sind im vorliegenden Falle so geleitet, ,daß der Schaufelkanal mit dern
Höchstdruck ,der Eintrittsgase mit Adern letzten vor dem Austritt stehenden K=al
verbunden ist. Eine andere Ausführung ist durch eine kreuzweise übereinanderlegung,
der Kanäle auch mög-]ich.
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Bei, Anwendung der Strömungskanäle, wie gezeichnet, ist es ratsam,
beim normalenLauf der Maschhie die Strömungsverluste gering zu hahen,durch Verringerung
der Strömungsges,chwin-digkeit. Dies kann dadurch erfolgen, daß man den Schaufelquerschmitt
nach der Mitte zu erweitert, ähnlich einer Venturi-,düse. Auch bei dieser Ausführung
-treten bei übeAast, d.h. zu großer Füllung, wie im vorhergehenden geschildert,
Mißstände auf. Es wird jedoch hier die Flüssigkeit nicht in ,den Ausgleichbehälter
gedrückt, sondern dieselbe wird mit dem Auspuff harausgeschleu, dert. Um diies zu
vermeiden, ist es ratsam, eüie-ge-stewrte Strönrungsdrossel indenübergangskanälen
mit der größten Strömungsgeschwindigkeit einzubauen. In der Darstellung ist als
Drossel ein axial verschiebbarer Schitbier m gezeichnet, welcher, wie der Schieber
k in Fig. 3, selbsttätig gesteuert wer-,den kann. Die Steuerung kann
auch als Drucksteuerung in der Forrn ausgeführt wer-,den, daß die Druckanschlüsse,
am äußeren Umfang des Schaufelrades angebracht, dk. Strömungsdrossel der vorhergehenden
Druckzone nicht eher* ausschalten, bis die Anschlußzc,n»- einen gewünschten Druck
erreicht hat. Die Drosselnder einzelnen Kanäle müssen in diesem Falle einzeln gesteuert
werden. EL le andere- Drosselausführung besteht darin, #daß man die Ül Fig. 4 gezeichneten
feststehenden Kanäle 1 etwas verdreht, so daß eine Rückdrosselung der in
das Schaufelrad ,eintretenden Gase und dadurch eine Füllungsverringerung entsteht.
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Bei einer Verbrennungskraftmaschine kann der Verbrennungsraum. unmittelbar
am Eintrittsstutzen e -angebracht werden. Bei grö-Beren Leistungen kann durch Aneinanderbauen
mehrerer Schaufelräder --eine Schaufelwalze hergestellt werden; ebenso kann eine
Unterteilung der Verbrenzungsräume oder des Aufgabestromes zwecks günstiger Steuerung
stattfinden. Bei langsam laufenden Maschinen kann man mehrere Ein- und Austrittsöffnung6#n
des Gases am Umfang verteilt anordnen. Bei Bremikraftmaschinen, die mit einem Brennstoff
betrieben werden, welcher auch in Anwesenheit von Wasser oder einer -anderen nicht
brennbaren Kühlflüssigkeit zünden und verbrennen, ist es auch mög-H.ch, den Eintritt
de#s Brennstoffes und der Luft sowie die Zündung gesondert am Umfang des Schaufelradgehäuses
anzuordnen. Eis bestellt auch die Möglichkeit, Luft und Brennstoff gemischt einzuführen
und die, Zündung etwas später nach erfolgter Abtrennung des Schaufelkanals vom Eintritt
erfolgen zu lassen. In solchen Fällen erfolgt eine Drucksteigerung im Schaufelkanal,
so daß die Vorverdichtung von Verbrennungsluft und Brennstoff bei gleichem Höchstdruck
kleiner sein kann.
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Die in vorliegender Erfindung beschriebene Maschine hat gegenüber
den bisher bekannten Maschmen folgende Vorteile mit patentbegründender Wirkung.
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Gegenüber der Dampfturbine arbeitet -die Maschäne mit reiner Entspannung
und wird dadurch im Bereich der höheren Drücke sowie bei kleineren Leistungen eine
bessere Ausnutzung erreichen bei gleich großer Umdrehungszahl. Bei einer Brennkraftmaschine
bestehen gegenüber der Gasturbine folgende Vorteile -
Die Haltbarkeit des
Schaufelbaustoffes ist bedeutend größer als Folge der guten Kühlung durch die Füllungsflüssigkeit,
wobei die bei der Kühlung erzeugte Dampfmenge in Kraft umgesetzt wird. Wird ein
Verbrennungsraum vorgeschaltet, so kann jeder Brennstoff, welcher unter Druck verbrennt,
benutzt werden, da selbst mitgerissener Flugstaub wegen des Fehlens einer Druckreibungsfläche
nur geringen Verschleiß verursachen kann.
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Gegenüber der Kolbenmaschine läuft die Maschine mit größeren Umdrehungszahlen
bei reiner Entspannungsarbeit selbst bei größeren Leistungen. Aus diesem Grunde
hat -die Maschine geringen Raumhedarf bei kleinem Gewicht je PS-Leistung.
Weil keine Reibungsflächen außer den beiden Hauptlagern vorhanden sind, entstehen
geringe Reibungsverluste, ebenso ist ein geringer Schmiermittelverbrauch vorhanden.
Die Maschine erzeugt ein gleichmäßiges Drehmoment und bedarf deshalb keiner Schwungmassen.
Die Erschütterung der hin und her gehenden Massen, welche bei einer Kolbemnaschine
auftreten, fallen fort; mithin sind keine Fundamente erforderlich. Gegenüber der
Brennkraftkolbemnasr,lüne ergeben sich folgende Vorteile: Bei der vorliegenden Maschine
liegenkeine Steuerungsteile im Verbrennungsraum, da die getrennten Zuleitungsströme
gesteuert werden können. Es ist keine besondere Zündungssteuerung erforderlich,
da, beim Anlauf einmal gezündet, sich,die Zündung dauernd fortpflanzt.
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Gegenüber den bekannten Kraftmaschinen
mit Hilfsflüssigkeit
hat die vorliegende Erfindung nach Anspruch 3 folgende Vorteile. Es
wird nur ein Bruchteil der frei werden-,den Kxä-fte, vermittels der Hilfsflüssigkeit
in ein Drehmoment umgesetzt; die Umformung des größten Teiles erfolgt durch den
Rückstoß auf die am, Umfang des Rades liegen-,den Schaufelkanalwände. Die Strömungsgeschwindigkeit
in den Leitschaufelh ist bedeutend kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit ,des Schaufelrades.
In -den überleitungskanälen beträgt sie nur einen Bruchteil derselben. Deshalb sind
größere Geschwindigkeiten. und somit kleinere Maschinen pro Leistungseinheit möglich.
Es bedingt ferner die geringe Strömungsgesch::windigkeit der Hilfsflüssigkeit einen
geringen Kraftverlust durch- Reibung.