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Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische oder potentielle
Energie in einer Düse von entsprechendem Profil Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und Vorrichtungen zur Zuführung einer kinetischen oder potentiellen Energie zu einem
Fluidum ohne Zuhilfenahme eines Kompressors oder mechanischer Organe.
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Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, daß das Fluidum während
seines Durchganges durch eine Düse von entsprechendem Profil, welche eine Wärme-
und eine Kältequelle besitzt, Änderungen in der Temperatur und der Geschwindigkeit
(und infolgedessen Änderungen von Druck und Volumen) ausgesetzt wird, welche sich
in dem Diagramm, das den Ablauf des Prozesses darstellt, durch einen Kreislauf ausdrücken,
dessen Fläche die in kinetische oder potentielle Energie umgewandelte Wärmeenergie
darstellt.
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Die Durchführung des Verfahrens kann so erfolgen, daß man im Innern
einer Düse eine Entspannung des vorher auf hohe Temperatur gebrachten Fluidums hervorruft,
wor auf- eine Kompression bei niedriger Temperatur erfolgt, durch die das Fluidum
ai @f den Anfangsdruck zurückgeführt wird.
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Man kann auch, falls sich die Düse im Innern des benutzten Fluidums
bewegt, zunächst das kalte Fluidum komprimieren, es auf hohe Temperatur bringen
und danach entspannen. `Durch die Verwendung einer besonderen Kältequelle bei der
zur Durchführung des Verfahrens bestimmten Düse wird gegenüber Düsen, die nur mit
einer Wärmezufuhr arbeiten, eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht,
da das p-v-Diagramm entsprechend größer ausfällt, was gleichbedeutend mit einem
Gewinn an Energie ist.
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Ein weiterer Vorteil der Kältequelle besteht darin, daß die als Antrieb
verwendete Düse selbst dann einen Rückstoß bzw. einen Vortrieb erzeugt, wenn die
Düse unbeweglich ist. Wenn nämlich keine Kältequelle vorhanden ist, ist der thermodynamische
Wirkungsgrad der Düse einzig und allein eine Funktion der Geschwindigkeit, und infolgedessen
ist der Wirkungsgrad Null, wenn die Düse stillsteht. (Die Kompression ist Null.)
Dagegen wird bei Vorhandensein einer Kältequelle der Kreisprozeß stets durchlaufen,
welches auch die Bewegungsgeschwindigkeit der Düse sei. Dies ist unter anderem für
die An-Wendung des Düsenantriebes für Luftfahrzeuge von besonderer Bedeutung.
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Gemäß der Erfjndung kann man ferner direkt oder indirekt einen Teil
der in den Abzugsgasen enthaltenen Wärme für eine Vorerhitzung des Fluidums wiedergewinnen.
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Um die Leistung der Düse zu verbessern, verhindert man das Ablösen
der Stromlinien;
indem man dünne mit großer Geschwindigkeit austretende
Mäntel des Fluidums in annähernd tangentialer Richtung zur Wandung durch die Diise
schickt.
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Die Erfindung kann verschiedene Anwendungen finden. Für den Fall der
Anwenz dang zur Fortbewegung in der Luft kann die Kältequelle fortgelassen «-erden;
andererseits kann bei Anwendung für Geschosse die Wärmequelle fortgelassen «-erden.
Im Falle der Anwendung für Gasturbinen wird die Wärmequelle entweder in Beschaufelungen
angebracht, die am Umfang der mit großer Geschwindigkeit laufenden Räder sitzen,
oder in Schaufeln` die selbst beweglich sind, oder feststehenden in bezug auf die
beweglichen Schaufeln.
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Beispielshalber und zur Erleichterung des Verständnisses der Beschreibung
werden Zeichnungen beigefügt; auf diesen stellen dar: Fig: i das schematische Profil
einer Düse und Fig.2 das entsprechende Diagramm, Fig. 3 das Profil der Düse und
Fig. 4 das entsprechende Diagramm, Fig. 5, C1 und ; Teilansichten der Düse, welche
Mittel zur Verbesserung des Wirkungsgrades zeigen, Fig. S und 9 Ansichten einer
Düse, die mit Tragflächen zur Gleichgewichtshaltung versehen ist, Fig. i o, i i
und 12 Ansichten von für Geschosse angewandten Düsen.
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Fig. 13 zeigt an einem Ausführungsbeispiel die Anordnung der Kältequelle
bei einer entsprechend Fig. S und 9 mit 'Pragflächen zur Gleichgewichtshaltung versehenen
Düse.
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Um die Erfindung gut verständlich zu machen, wird zunächst an Hand
der Fig. i und 2 das Beispiel des Kreisprozesses eines Kilogramms von dem Fluidum
in einer erfindungsgemäß eingerichteten Düse beschrieben.
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Von o bis i führt die Wärmequelle die Wärinenienge 0,
l zu; der Druck, die Geschwindigkeit und die Temperatur gehen dabei von po, vo,
To, in pi, v1, T1 über: auf dem Diagramm wurde angenommen, daß p.
= p1 ist; das spezifischeVolumen geht dabei gleichzeitig von z-, in v1 über.
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@'on i bis 2 entspannt sich das Fluidum gemäß einem Polytropen Gesetz
von p1 auf p2 und tritt dann in den kegelstumpfförmigen Düsenteil 2 bis 3 ein, wo
ihm die Kältequelle die Wärmemenge 02 entzieht: dadurch wird sein spezifisches Volumen
von v2 auf v3 gebracht, die Temperatur des Fluidums von T2 auf T3 und der Druck
von p2 auf "p3 übergeführt; auf der Figur wurde p2 = p3 angenommen. Von 3
bis 4 komprimiert sich das Fluidum gemäß einem polctropen Gesetz, wobei der Druck
von p3 auf p, gebracht wird. Auf dem Diagramm wurde p., = p" angenommen. Das Fluidum,
welches in die Düse mit der Geschwindigkeit vo eingetreten war, verläßt diese mit
der Geschwindigkeit v4 und führt die Wärmemenge 0, titit fort.
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Die bei dem Kreislauf i, 2, 3, .4 (Fig. 2) eingeschlossene Fläche
stellt die im Laufe des Prozesses verfügbare Energiemenge dar, und man kann beweisen,
daß sich diese Energie vollständig in kinetische oder potentielle Energie umwandelt.
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Man sieht also, daß nian ohne Kompressor einem Fluidum eine kinetische
Energie zuführen kann.
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Das in Fig.3 dargestellte Rohr ist eine Ausführungsform, die besonders
benutzt werden kann, wenn sich die Düse inmitten des Fluidums mit einer nicht sehr
großen Geschwindigkeit verschiebt. Für diesen Fall ist das Diagramm (pv) auf Fig.
4 dargestellt.
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Die Erfindung läßt sich ganz besonders gut für den Flug in großen
Höhen und bei großen Geschwindigkeiten anwenden; denn sie unterdrückt dabei die
sonst notwendige Verwendung von durch Motoren angetriebenen Kompressoren, die bisher
verwendet werden mußten, um den sclnvachen Luftdruck in großen Höhen auszugleichen.
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Mit dem vorliegenden Verfahren wird dagegen der Antrieb einfach durch
die Düse erzielt; dabei entspricht der Vortrieb der Änderung der Bewegungsgröße
zwischen dem Eintritt und dem Austritt der Düse.
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Die Wärmequelle kann durch einen Heizkörper oder besser noch, falls
das Fluidum Luft ist, durch Brenner gebildet werden, die in der Düse angeordnet
sind.
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Die Kältequelle andererseits kann durch einen Kühler gebildet werden,
wobei die Kalorien entweder direkt oder über eine Zwischenflüssigkeit nach außen
abgegeben werden.
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Die Kältequelle kann beispielsweise von Kühlradiatoren a (Fig. 13)
gebildet werden, in denen z. B. ein Wässerstrom umläuft. Die durch diese Kältequelle
dem Fluidum entzogene Wärme kann in der Weise zurückgewonnen werden, daß das durch
den Radiator gegangene Wasser durch Leitungen b zu Vorwärmern c geleitet wird, die
in der Heizungszone der Düse angeordnet sind.
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Die Teile der Düse, welche einer Entspannung entsprechen, hatten im
allgemeinen einen sehr hohen Wirkungsgrad, den man praktisch gleich i setzen kam).
Dagegen ist in den Teilen der Düse, welche einer Kompression entsprechen, der Wirkungsgrad
im allgemeinen weniger gut. Die Verluste werden vor allem von mit Wirbelbildungen
verbundenen
Ablösungen der Flui-dumschichten von den Wandungen
herrühren, da das Fluidum nicht genau den Wänden des Diffusors folgt.
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Man kann aber auch das Fluidum zwingen, den Wänden des Diffusors zu
folgen, indem man sehr feine Mäntel des Fluidums mit großer Geschwindigkeit tangential
zur Wand hindurchschickt. Zu diesem Zweck wird das Fluidum an der Stelle, wo der
größte Druck herrscht, entnommen und durch geeignete Leitungen an die Stelle geführt,
wo man einen solchen Fluidummantel blasen will. Man hindert so die Ablösung der
Grenzschicht, und zwar sowohl an der Stelle, wo das Blasen erfolgt, als auch an
der Stelle, wo das Ansaugen geschieht, Das Blasen des Mantels erfolgt in der Richtung
von vorn nach hinten, um auf diese Weise :eine Wiedergewinnung der in dem Fluidum
enthaltenen potentiellen Energie zu erzielen.
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Im Falle der Fig. 5 ist ersichtlich, wie eine Düse zur Verhinderung
der Ablösung der inneren Grenzschicht hergestellt werden kann. Am Umfang angeordnete
z. B. ringförmige Luftentnahmen 8 saugen die- Grenzschicht in dem Teil der Düse
an, wo. der Druck am höchsten ist, und führen mittels solcher Leitungen wie 9 das
Fluidum in ringförmige Düsen io, die in einer Zone geringeren Drucks angeordnet
sind, wo man die Energie des bei 8 angesaugten Fluidums wiedergewinnt und gleichzeitig
die Grenzschicht bläst.
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Im Falle der Fig. 6 wird das Ablösen der inneren Grenzschicht überall
durch Ansaugen mittels der Entnahmestellen oder Düsen, wie i i, verhindert; dabei
wird das Fluidum zwecks Rückgewinnung seiner Energie nach hinten und nach außen
durch ringförmige Öffnungen 1a geschleudert, die in Zonen geringeren Druckes liegen,
und durch welche gleichzeitig das Ansaugen des Fluidums und das Blasen -der äußeren
Grenzschicht erfolgt.
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Im Falle der Fig. 7, welche sich auf einen Teil der Düse bezieht,
in welchem sich das Fluidum auf einem niedrigeren Druck als dem äußeren Druck befindet,
wird das Ablösen der Grenzschichten durch Ansaugen mittels ringförmiger öffnungen
verhindert, welche das Fluidum an der Außenfläche entnehmen und zur Innenfläche
durch Öffnungen oder Düsen 14 führen, wobei auf diese Weisedie Energie des Fluidums
zurückgewonnen wird.
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Zweckmäßig werden die Gebläseöffnungen durch ringförmige Schlitze
gebildet, diesich auf den ganzen Umfang oder einen Teildes UmfangsderDüs,eerstrecken.
DasBlasenderGrenzschicht hängt natürlich von der Geschwindigkeit des tangential
zu den Wandungen durchgeschickten Fluidummantels ab. Da das Verhältnis der Drucke
häufig gegeben ist, kann man gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung die Geschwindigkeit
dadurch erhöhen, daß man das Fluidum auf jede geeignete Weise erhitzt, z. B. indem
man es ganz oder teilweise unterhalb der Heizquelle entnimmt.
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Die Düse kann im Falle der Anwendung auf den Flug bei grqßen Höhen
in verschiedener Weise angeordnet werden in bezug auf ,die Gleichgewichtstragflächen.
Eine Anordnung von besonderem Interesse ist auf den Fig. 8 und 9 dargestellt, wo
die Düse hinter einer geschlossenen Kabine a", welche die Passagiere, -die Zubehörteile
und die Last aufnimmt, angeordnet ist. Die Kabine kann mit Luft von gewöhnlichem
Druck auf dem Erdboden, durch komprimierte Luft, die aus besonderen Behältern stammt,
oder durch einen kleinen Volumen- oder Zentrifugalkompressor, der durch eine Turbine
oder einen an den Diffusor angeschlossenen Kalt-oder Heißluftmotor betrieben wird,
beliefert werden. Man kann auch Sauerstoff oder flüssige Luft oder ein chemisches
Reagens oder Sauerstoff entwickelnde chemischeReaktionen verwenden. Die Brenner
3" bilden die heiße Quelle. Sie werden von Brennstoff' ge@ speist, der ihnen durch
Druckluft oder eine Volumen- oder Zentrifugalpumpe zugeführt wird, welche durch
eine Turbine oder einen Luftmotor angetrieben wird, wobei letzterer von der gleichen
Art wie derjenige ist, welcher den Lui#tlcompressor in Tätigkeit setzt. Der Brennstoff
läuft vorher durch den Kühler 4a, der als Kältequelle dient, und wo der Brennstoff
verdampft wird, um die Verbrennung zu erleichtern. Das Landegestell wird durch eine
Schlittenkufe 5" gebildet.
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Auf der Fig. 9i sieht man .bei 6" den Querschnitt des Einlasses der
Düse i", die Flügel 7" welche durch Halteseile 8" festgehalten werden, und
die Landungskufe 5a.
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An allen geeigneten Punkten der Düse kann man ringförmige Schaufeln,
wie 9a, anordnen, um die Stromlinien zu führen und den Nutzeffekt zu, verbessern.
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Lediglich zum Starten kann ein Propeller vorgesehen werden, der von
einem Motor oder von der nachstehend beschriebenen Turbine angetrieben wird, wobei
aber dieser Propeller nicht als Kompressor wirkt. Dieser Propeller kann in der Düse
unmittelbar oberhalb der Heizquelle angeordnet werden; er wird aber beim normalen
Flug des Flug= zeuges in der Höhe angehalten.
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Man kann im übrigen auch den Start nach dem Katapultverfahren oder
mittels eines Schleppflugzeuges vornehmen.
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Die Verbesserungen an den Düsen, welche
darin bestehen,
daß durch Blasen das Ablösen der Grenzschicht vermieden wird, können auch eine besondere
Anwendung bei den Geschossen finden.
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Auf den Fig. io, i i und 12 sind verschiedene Anwendungen des Blasens
oder des Ansaugens der Grenzschicht vor den Geschossen oder allgemeiner den spindelförmigen
(Raketen-) Körpern zwecks Unterdrückung der Stoßwellen dargestellt. Letztere entstehen
dann, wenn die Verschiebungsgeschwindigkeit dieser Körper größer wird als die Schallgeschwindigkeit.
Diese Anwendungen können gegebenenfalls mit einer Heizquelle verbunden werden, was
auf den Wandungen der Düse eine Vortriebskomponente erzeugt.
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Bei der Fig. io wurde ein Geschoß 15 dargestellt, das an seinem vorderen
Teil mit einer Düse 16 versehen ist, die gegebenenfalls eine Heizquelle 17 enthält.
Das Fluidum, welches bei 189 in die Düse eindringt, wird bei i9 durch eine ringförmige
Üffnung entfernt. Dieser bei io austretende Fluidummantel wer= hindert ebenso wie
die aus den ringförmigen Öffnungen 2o austretenden Mäntel das Ablösen der Grenzschicht
und die Bildung der Stoßcwelle.
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Bei der Fig. i i ist eine Anordnung dargestellt, bei welcher die äußere
Grenzschicht vor einem Geschoß 2i angesaugt wird, welches eine Umhüllung enthält,
die an ihrem vorderen Teil ringförmige üffnungen 23 besitzt, durch welche das Fluidum,
welches die Grenzschicht bildet. angesaugt wird; das Fluidum wird danach bei 2q.
in einer Zone, wo ein geringerer Druck herrscht, herausgelassen. Ein falscher Sockel
25 verschließt die Öffnung.24 beim Abschießen des Geschosses.
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Bei der Fig. 12, die sich ebensogut auf einen Flügel wie auf ein Geschoß
anwenden läßt, ist der Raketenkörper -26 an seinem hinteren Teil mit einer Düse
2; ausgerüstet, die gegebenenfalls eine Heizquelle -2S enthält. Das Fluidum dringt
in die Düse durch Schlitze 29 ein und «;ird bei 3o abgelassen-Die Umrisse der Düse
27 und des Hinterteils des spindelförmigen Körpers 26 sind in der Weise bestimmt,
daß der Schlitz 29 unterhalb des äußeren Druckes gehalten wird. Dadurch saugt er
das Fluidum vom vorderen Teil des spindelförmigen Körpers ab und verhindert die
Bildung von Stoßwellen.
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Wie aus Fig. 13 hervorgeht, kann die Kältequelle aus einem Kühler
a bestehen. Die von diesem hiihler aufgenommenen Wärmeeinheiten dienen dazu, einen
vor den Brennern angeordneten Vorwärmer c zu speisen, was beispielsweise durch einen
ununterbrochenen Kreislauf des Fluidums erfolgen kann, wobei die Rückführung des
Fluidums über die Rohre b vor sich geht.