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Arbeitsverfahren für Kreiselradmaschinen mit Hilfsflüssigkeit Für
Gasturbinen und .für Verdichter, die mit Hilfsflüssigkeit arbeiten, ist ein Arbeitsverfahren
bekanntgeworden, bei dem zwei zu Beginn eines Arbeitshubes in Verbindung kommende
Arbeitszellen während des ganzen Hubes in Verbindung bleiben, so daß der höchste
Entspannungsdruck auf den niedrigsten Verdichtungsdruck und der niedrigste Entspannungsdruck
auf den höchsten Verdichtungsdruck wirkt und daß die Verbindung der Arbeitszellen
durch zu Düsen ausgebildete Leitkanäle erfolgt, die entsprechend den verschiedenen
Gasdruckunterschieden verschiedene Beaufschlagungswinkel haben.
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Das Hubdruckschaubild dieser bekannten Arbeitsweise ist in der Abb.
I dargestellt. In der einen Zelle (Nullpunkt o) wird das Gas von T, auf ho oder
von P2 auf p3 entspannt, während in einer zweiten Zelle (Nullpunkt d), die
mit der ersten durch eine Reihe von Leitkanälen in Verbindung kommt, die Verdichtung
von vo auf v1 oder von p. auf p2 erfolgt. Wie aus dem Schaubild zu ersehen ist,
ändert sich der zum Antrieb der Hilfsflüssigkeit dienende Druckunterschied (p,
- pk) stark bis zum Wert (P, - P,). Die große Schwankung der treibenden
Kraft muß die Masse der Hilfsflüssigkeit ausgleichen. Es sind daher große Flüssigkeitsmassen
und damit teuere Turbinen erforderlich, um die Geschwindigkeit der Hilfsflüssigkeit
und die Beaufschlagungswinkel der Leitkanäle in den Grenzen der Ausführbarkeit halten
und eine genügend hohe Verdichtung erreichen zu können. Ein weiterer Nachteil dieses
Arbeitsverfahrens besteht darin, daß sich in den während eines Arbeitshubes in Verbindung
stehenden Zellen auch die Fliehkräfte der Hilfsflüssigkeit entgegengesetzt ändern,
da der Inhalt der arbeitenden Zelle abnimmt, während gleichzeitig der Inhalt der
aufnehmenden Zelle zunimmt.
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Die gleichen Betrachtungen an einem nach vorstehendem Verfahren arbeitenden
Verdichter, bei dem die Leitkanäle zu Diffusoren ausgebildet werden, ergeben die
gleichen Nachteile.
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Es sind auch Verbrennungskraftmaschinen, Dampfmaschinen und Verdichter
bekannt, bei denen Verdichtung und Entspannung in feststehenden Zellen erfolgen
und bei denen die Gasarbeit ebenfalls auf eine Hilfsflüssigkeit übertragen wird.
Auch hier sind zwei Zellen während eines ganzen Hubes in Verbindung, so daß auch
hier die vorhin aufgeführten Nachteile auftreten.
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In beiden Fällen, sowohl bei Maschinen mit umlaufenden Gaszellen als
auch bei Maschinen mit feststehenden Gaszellen, bedeutet die erforderliche tropfbare
Hilfsflüssigkeit zumeist einen unerwünschten Ballast.
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Die Erfindung betrifft ein Arbeitsverfahren für Gasmaschinen und Verdichter
mit Hilfsflüssigkeit, mit denen obige Nachteile beseitigt
werden
und das außerdem an Maschinen, die bisher ohne Hilfsflüssigkeit arbeitend bekannt
waren, Vorteile bringen sollen.
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Die Erfindung besteht darin, daß jede Zelle. während eines Doppelhubes
des Flüssigkeits kolbens über Leitkanäle nach und nach derart mit jeder Zelle des
gleichen oder eines zweiten Rades in Verbindung kommt, daß der höchste Entspannungsdruck
mittels der Hilfsflüssigkeit auf den höchsten Verdichtungsdruck und der niedrigste
Entspannungsdruck auf den niedrigsten Verdichtungsdrugk wirkt. Hierbei kann auch
ein Gas als Hilfsflüssigkeit verwendet werden.
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Die Abb. IIb stellt das Hubdruckschaubild dieses neuen Arbeitsverfahrens
z. B. an einer Gaskraftmaschine dar. In einer Zelle entspannt sich das Gas von v1
auf va oder von p2 äuf pg, während die nach und nach dieser Zelle entgegengeschalteten
Zellen Drücke von p, -p, aufweisen. Der Druckunterschied schwankt also nur
noch zwischen p2 p1 und PS---Po-Das Schaubild Abb. IIb stellt den Fall dar, daß
unendlich viel Zellen in unendlich kleinen Zeitabschnitten einander entgegengeschaltet
werden. Bei einer tatsächlichen Ausführung mit endlicher Zellenzahl wird das Schaubild,
wie Abb. II c zeigt, sich aus einer Reihe von Teilschaubildern zusammensetzen.
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Die Verwirklichung dieser Arbeitsweise ist erfindungsgemäß an einer
Reihe und an zwei Reihen von im Kreise angeordneten Zellen in verschiedener Weise
möglich. Bei einer Reihe von Zellen werden die Verbindungskanäle derart übereinander
angeordnet, daß Zellen, die ungefähr symmetrisch zu einem Durchmesser liegen, in
Verbindung stehen. Bei zwei Reihen von Zellen dagegen gehen die Arbeitsvorgänge
in den beiden Zellenreihen in verschiedenen Drehrichtungen vor sich, so daß- die
Verbindungskanäle nebeneinander im Kreise angeordnet werden können.
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Die Abb.Ha zeigt die erste Ausführung an einer Verpuffungsmaschine
mit umlaufenden Zellen und mit tropfbarer Hilfsflüssigkeit. Das Zellenrad i dreht
sich in einem Gehäuse mit feststehenden, zu Düsen ausgebildeten Leitkanälen 2. Die
Veränderungen in einer Zelle gehen nach bekannter Weise vor sich. Durch den Schlitz
A erfolgt der Auspuff, während durch den kurz darauffolgenden Schlitz L gespült
und frisch geladen wird. Auf dem Wege von L bis Z nehmen die Zellen Hilfsflüssigkeit
auf, so daß das Gemisch verdichtet wird, bis es an der Stelle der größten Verdichtung
bei Z zur Entzündung gebracht werden kann. Auf dem weiteren=Wege von Z bis A geht
die Entspannung vor sich, zufolge deren die Hilfsflüssigkeit im die Leitkanäle 2
getrieben wird. Ein Teil der Druckenergie der Hilfsflüssigkeit wird in den Düsen
in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt und zur Arbeitsabgabe an das Zellenrad geführt,
während der andere Teil zur Vorverdichtung des neuen Gas-Luft-Gemisches dient. Durch
die übereinander angeordneten Leitkanäle werden zu einem mit dem Gehäuse feststehenden
Durchmesser ungefähr symmetrisch liegende Zellen niiteinander verbunden, und demzufolge
wird ein Hubdruckschaubild nach Abb. II c erreicht.
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Eine Abänderung dieser Ausführung zeigen Abb. III a und III b. Hier
ist das Zellenrad i als Außenläufer ausgebildet. Die feststehenden Leitkanäle 2
liegen innerhalb dieses Zellenrades.
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Eine Ausführung mit feststehenden Zellen und mit übereinander angeordneten
Verbindungskanälen zeigen die Abb. VII a und VIIb. Acht im Kreise angeordnete feststehende
Zellen K1 bis K$, die mit den nötigen Ventilen oder Schlitzen versehen sind, werden
durch die übereinander angeordneten Kanäle eines Laufrades R und über die feststehenden
Leitkanäle P und T gegeneinandergeschaltet, und zwar so, daß zu dem mit dem Laufrade
R umlaufenden Durchmesser A bis Z ungefähr symmetrisch liegende Zellen miteinander
verbunden sind. Damit wird auch bei feststehenden Zellen das Hubdruckschaubild nach
Abb. IIc erreicht.
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Für die Lösung des neuen Arbeitsverfahrens mit zwei Reihen von Zellen
und mit gegenläufigem Vorgang in diesen Zellen ist durch die Abb. IV a, IV b und
IV c ebenfalls eine Verpuffungsturbine mit tropfbarer Hilfsflüssigkeit dargestellt.
In einem Gehäuse mit zwei Gruppen von feststehenden, zu Düsen ausgebildeten Leitkanälen
2 drehen sich zwei Zellenräder i und i' gegenläufig. Die Arbeitsvorgänge sind durch
die Abb. IV c, die eine Abwicklung der Zellen und der Leitkanäle darstellt, klargelegt.
Auch hier sind A die Auspuffschlitze, L die Spül- und Ladeschlitze und Z die Stellen
der Zündung. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß durch diese Anordnung in jeder
der beiden Zellenreihen das neue Arbeitsverfahren erreicht wird.
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Wie schon eingangs angeführt wurde, ermöglicht der nun beliebig klein
zu haltende Druckunterschied pe pk die Verwendung von Gas als Hilfsflüssigkeit.
Als solches stehen Kühlluft oder bereits abgekühlte Verbrennungsgase bei Verbrennungsmaschinen
oder Dampf bei Dampfmaschinen zur Verfügung.
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Einen besonderen Vorteil bietet dieses weitere neue Verfahren bei
Verbrennungsmaschinen dann, wenn nach dem Dieselverfahren der Brennstoff in die
verdichtete Luft eingeführt wird und wenn die Verbrennung in
einem
außerhalb der Zellen liegenden Raume vor sich geht. Man kann dann Druckluft am äußeren
Umfange des Zellenrades und an der Stelle höchster Verdichtung entnehmen, diese
in den Verbrennungsraum führen und die Verbrennungsgase am inneren Umfange der Zellen
ebenfalls an der Stelle höchster Verdichtung zuführen.
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Die Abb. V zeigt eine solche Ausführung mit einem Zellenrade i und
mit übereinander angeordneten Leitkanälen 2. Durch den Schlitz Ag entweichen die
entspannten Gase, während gleichzeitig durch den Schlitz LL Frischluft teils zur
Spülung und Kühlung und teils zur Arbeit als Hilfsflüssigkeit in den Leitkanälen
entweder durch die Saugwirkung des Zellenrades i oder mit Hilfe einer Hilfspumpe
eintritt. An der Stelle der höchsten Verdichtung treten durch den Schlitz
LG am inneren Umfange des Zellenrades i Verbrennungsgase aus dem Verbrennungsraum
L' ein und verdrängen durch den am äußeren Umfange des Zellenrades i angeordneten
Schlitz AL einen Teil der verdichteten Luft in den Verbrennungsraum l', wo durch
die Düse B auf irgendeine bekannte Weise Brennstoff zugeführt wird.
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In der gleichen Weise wie eine Verbrennungsturbine mit außerhalb liegendem
Verbrennungsraum und mit selbsttätiger Förderung der Druckluft kann auch eine Dampfturbine
mit Wasser als Hilfsflüssigkeit und mit selbsttätiger Förderung des Speisewassers
in einen getrennt aufgestellten Verdampfer ausgeführt werden. Der Vorgang ist an
Hand der Abb. V ohne weiteres klar. An Stelle der Verbrennungsgase tritt Frischdampf,
an Stelle der Luft Wasser und an Stelle des Verbrennungsraumes der Verdampfer. Der
Dampfauspuff AG und der Frischwassereintritt LL können unter Einschaltung eines
Kondensators miteinander verbunden werden.
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Eine weitere Abänderung der bisher erläuterten Arbeitsverfahren ist
schließlich noch dadurch möglich, daß die Energie nicht unmittelbar in den inneren
Gasraum der Zellen zu- oder abgeführt wird, sondern durch die Verbindungskanäle,
also über die Hilfsflüssigkeit. Das in den Zellen eingeschlossene Gas übernimmt
dann ebenfalls die Rolle einer Hilfsflüssigkeit, indem es wie z. B. bei einer Dampfturbine
die von außen über den in den Leitkanälen strömenden Hilfsdampf in Form von Frischdampf
zugeführte Energie durch weitere Verdichtung aufspeichert und dann durch Entspannung
wieder abgibt. Als Beispiel ist durch die Abb. VI eine Wasserturbine dargestellt.
Im Inneren der Zellen des Zellenrades i befindet sich Luft. Damit - dieser Luftkern
erhalten bleibt, kann durch einen Schlitz L eine Verbindung mit einem Windkessel
hergestellt sein, in dem ständig der der Stelle L entsprechende Winddruck gehalten
wird. Durch den Druckstutzen D strömt Druckwasser zu, während das entspannte Wasser
durch den Stutzen S abfließt. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß diese Maschine
bei umgekehrter Drehung des Zellenrades und bei Ausführung der Leitkanäle 2 als
Diffusoren eine Pumpe ergibt, bei der die Flüssigkeit durch den Saugstutzen S zugeführt
und durch den Druckstutzen D abgeleitet wird. Für kleine Fördermengen bei großen
Förderhöhen bringt diese Ausführung Vorteile gegenüber normalen Ausführungen mit
großen Laufrädern und mit engen Kanälen, bei denen die Radseitenreibung einen großen
Verlustanteil bedingt.