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Brennkraftdrehkolbenmaschine mit Flüssigkeitskolben Die Erfindung
bezieht sich auf Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung, bei denen an Stelle
von Kolben aus festem Material solche aus Flüssigkeiten, zum Teil in Verbindung
mit Kolben aus festem Material, verwendet werden. Eine Reihe solcher Konstruktionen
ist bereits bekannt, z. B. die von Dunlop, NI aag, Föttinger (siehe z. B. S t o
(1 o 1 a, Dampfturbinen) sowie die von S t a u -ber, Berg, Vogt, Humphrey
(siehe Stau-1) e r, Gasmaschinen und Kompressoren mit Wasserkolben, Oldenbourg,
München-Berlin 1937) sowie verschiedene Patente von S t a u b e r und anderen.
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Die bisher bekannten sowie die Konstruktionen nach der vorliegenden
Erfindung kann man u. a. nach folgendem Gesichtspunkt einteilen: Maschinen mit zwangsläufigerFlüssigkeitsströmungundsolchen
mit freier Flüssigkeitsströmung, d. h. solchen, bei denen die Flüssigkeit nur den
Gaskräften und Massenkräften unterworfen ist.
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Für die Flüssigkolbenmaschinen sind einige physikalische und technische
Grundsätze bereits bekannt, wenn auch nicht immer die geeigneten Mittel zur Durchführung
gefunden wurden. Bekannt ist vor allem folgendes: Beiden Maschinen mit freier Flüssigkeitsströmung
müssen die durch die Gaskräfte verursachten "Beschleunigungen kleiner als die Zentripetalbeschleunigung
sein, da sich sonst die Oberfläche in Spritzer und Blasen auflöst.
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Für die Beschleunigung der Flüssigkeitsoberfläche gilt folgende Beziehung,
wenn die Austrittsgeschwindigkeit Null ist:
wobei b. = Beschleunigung, p = Gasdruck, g = Erdbeschleunigung, y = spezifisches
Gewicht der Flüs.igkeit, 1. = Länge der Flüssigkeitsk<ilben,
hierin bedeutet wiederum F,)= Querschnitt der Flüssigkeitsoberfläche, F=Querschnitt
der Flüssigkeit in einer beliebigen Schicht, während der Zeiger in andeutet, daß
es sich um den arithmetischen \littelwert über die gesamte Länge des Flüssigkeitskolbens
handelt.
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Die Zentripetalbeschleunigung ist nach einer bekannten Formel : .
wobei b, = Zentripetalbeschleunigung; r = Abstand der Oberfläche vom Drehpunkt,
zu = Winkelgeschwindigkeit der Oberfläche,, v = Umfangs= Ireschwindigkeit der Oberfläche.
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1?ine wesentliche Schwierigkeit bei der Konstruk= t io»n \-o n Flüssigkolbenmaschinen
besteht darin, hohe Drücke anzuwenden (was mit Rücksicht auf Leistungsgewicht und
Wirkungsgrad wünschenswert wäre).und gleichzeitig die durch die Gasdrücke verursachten
Beschleunigungen niedrig zu halten (mit Rücksicht auf die erforderliche Spritzsicherheit).
Es werden unten Mittel genannt werden, die dazu dienen, diese Schwierigkeiten zu
vermeiden.
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Bei Maschinen mit zwangsläufiger Flüssigkeitsströinung können die
Gasdrücke keine unmittelbare Heschleunigung der Flüssigkeitsoberfläche verursachen.
Der Verlauf der Strömung ist nur durch die Bewegung der festen Bauteile bestimmt.
Um bei dieserArt Maschinen die Spritzgefahr zu vermeiden; muß die Oberfläche bzw.
der Weg jedes Teilchens der Oberfläche stets im gleichen Sinne gekrümmt (konkav)
sein, und zwar so stark, daß auch unter dem Einfluß der Erdbeschleunigung oder sonstiger
auf die :Maschine einwirkender Beschleunigungen keine Ablösung von Oberflächenteilchen
eintritt.
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Weiter ist bekannt, daß auch, wenn nach oben Gesagtem keine Spritzgefahr
bestünde, die Oberfläche durch zu starke Gasströmung über die Oberfläche zerstört
werden kann. Auch hierfür sind bisher nicht genügend wirksameMittel angewendet worden.
Es werden unten einige genannt werden.
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Die folgenden Grundsätze sind in den bisher bekannten Konstruktionen
nicht angewendet worden. Sie werden jedoch in den Konstruktionen nach der vorliegenden
Erfindung verwendet: Die hydraulischen Verluste werden vermindert durch Verwendung
einer Flüssigkeit mit geringer Viskosität und hohem spezifischem Gewicht, denn letzteres
läßt die Anwendung hoher Drücke und damit hoher Leistung zu, und damit werden die
`triiinungsverluste relativ gering. Es kann außer der Hauptflüssigkeit eine mehr
oder weniger-diinne@Schicht einer zweiten Flüssigkeit mit höherem spezifischem Gewicht,
aber geringerer Zähigkeit verwendet werden. um die Wandreibung am Gehäuse zu vermindern.
(Andererseits bedingt höhes spezifisches Gewicht der Flüssigkeit auch entsprechend
hohes Gewicht der gesamten '.Maschine. Auch ist der Preis schwerer Flüssigkeiten,
z. B. Quecksilber, sehr hoch. Daher wird versucht, durch konstruktive Maßnahmen
ntit möglichst wenig Flüssigkeit und/oder einer Flüssigkeit geringeren spezifischen
Gewichts auszukommen.) Reibungsvermindernd wirkt ferner die Anwendung einer möglichst
hohen Temperatur der Flüssigkeit, da mit zunehmender Temperatur die Viskosität sinkt.
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Eine hohe Temperatur der Flüssigkeit vermindert ferner die Wärmeverluste.
Sie ermöglicht es, unter Umständen ohne Kühlung auszukommen, .denn infolge der kinematischen
Eigenart dieser Maschinen besteht-die Möglichkeit, den Druck- und Wärmeverlauf in
den Dämpfen oder Gasen in etwas weiteren Grenzen zu regeln als bei gewöhnlichen
Kolbeninaschinen. Es wird daher angestrebt, diesen Verlauf so zu gestalten, daß
die mittlere Temperatur der Gase gleich oder annähernd gleich der Flüssigkeitstemperatur
ist.
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Zur Verringerung der Wärmeverluste und zur Vermeidung von zu hohen
Temperaturen an den Metallteilen können die Wände der Verbrennungskätmiternmit einem
wärmeisolierenden Stoff ausgekleidet werden. Soweit die Wände von Flüssigkeit benetzt
werden, müssen diese jedoch glatt sein.
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Die Temperatur der Flüssigkeit ist vor allem durch die Gefahr zu starker
Dampfbildung begrenzt. Um diese zu vermeiden, wird nötigenfalls eine mehr oder weniger
dicke Schicht einer Flüssigkeit verwendet, die leichter ist als die Hauptflüssigkeit,
aber einen höheren Siedepunkt hat und evtl. eine größere Viskosität besitzt.
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Die Mittel, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um
einen möglichst großen Überschuß an Zentripetalbeschleunigung gegenüber der durch
die Gasdrücke verursachten Beschleunigung bei-Maschinen mit freier Strömung zu erzielen,
sind folgende: a) Verwendung einer Flüssigkeit mit hohem spezifischem Gewicht (oder
gleichzeitig mehrerer Flüssigkeiten mit verschiedenem spezifischem Gewicht, so daB
der Mittelwert des spezifischen Gewichts den Anforderungen entspricht) ; b) Anwendung
einer großen Flüssigkeitsoberfläche und/oder kleinem Querschnitt in den Zwischenschichten
bis zum Austritt; c) Anwendung einer möglichst großen Winkelgeschwindigkeit bzw.
Umfangsgeschwindigkeit der Flüssigkeit (besonders deren Oberfläche) entweder durch
Anwendung von Potentialwirbel im Gehäuse außerhalb des Läufers oder, wo nur starre
Wirbel möglich sind, durch Ver-,vendung von umlaufenden Gehäusen bei gleichzeitiger
Verwendung von Leitapparaten, die feststehen oder mit einer von der Läuferdrehzahl
abweichenden Drehzahl umlaufen;
dl .lnwcn(lung einer endlichen (und
zwar möglichst grollen) .\ttstrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit aus den Kammern
unmittelbar nach (lern Totpunkt, wobei zur \-erineidutig einer zu grollen liescliletinigting
der Oberfläche (bzw. deren Auswirkung) unmittelbar nach dem Totpunkt ein unendlich
kleiner und sich allmählich verbreiternder Austritts(ltierscliiiitt (bei endlichem
Austrittswinkel) angewendet wird, z. l3. durch entsprechende Fortngelning des Gehäuses,
und/oder (las Gehäuse erhält eitre derartige l- orin, daß der .Nustritt der Flüssigkeit
bereits vor liecitdigung des I--.ititi-itts beginnt; e) \11\1'e`I1<lllilg \-on
Zwangsstriimung in der Nähe des Totpunkts.
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Uie -Mittel, die Zerstörung der Flüssigkeitsol)er-Näche durch die
Gasstr<itnung während der Spülung verhindern, sind in vorliegender Erfindung
folgende a) liei-lascliineti mit freierFliissigkeitsströmung, >s>fern bei dieselt
die Flüssigkeit die Verbrennungsr;iunie zum Zwecke der Spülung vollständig verläßt,
%vird tviilireii(1 der Spi.ilun,- die Hiissigkeit von den Gasen durch eitle Wand
getrennt; dl) Hei \laschinen finit Zwangsströmung wird entweder ebenfalls eine Trennwand
nur während der Spiiltiiig verwendet oder die Flüssigkeit wird durch einen festen
Kolben, der den Verbrennungsraum mehr oder weniger (licht abschließt, dauernd abgesleckt.
letzterer kann dann gleichzeitig zur Dämpfung der evtl. durch die Coriolisheschleunigung
v(1s-tii-s;tclitcii Schwingungen verwendet werden.
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l)ic Zündung kann durch elektrischen Funken oilei- durch Kraftstoffeinspritzung
erfolgen. Ferner ist cs viir allein hei den \laschinen mit freier Flüssigkcitsstr@imultg
ni(*iglicli, die Zündung allein durch die Ktnsipressionswärme erfolgen zu lassen.
Bei Mascltitlen finit freier Striitntitig regelt sich nämlich das KI>ntl@ressionsverliültnis
selbständig in gewissen ( ;renzen. Wo dieses nicht ausreicht, um eine weitere Kssinlsrcssi@ni
nach der 7iindung zu verhindern, kann eitle vinn Flüssigkeitsdruck unter (lein'Totpunkt
abhängige Regelung der Flüssigkeitsmenge im Um- lauf und damit dcs
Konipressionsverhä ltnisses Verwendet wenden.
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1)1(.- Zeichnungen stellen einige Ausführungsbeispiele dar, in denen
die aufgeführten Grundsätze verwendet werden, auch wenn diese im einzelnen nicht
iiiinici- wiederholt werden (z. li. bezüglich Art und Temperatur der Flüssigkeit).
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Fig. i lind 2 stellest Uings- und Querschnitt einer \'ei-l li-eniitingsl;rciftni;tsc
liine finit rotierender Fliissigkeit und freier Strömung dar. Ähnliche Maschinen
wurden bereits von S t a tt 1) e r (a. a. O.) als Zellenradniaschinenerwähnt. 1)ie
vorliegende Erfindung verbessert diese jedoch einmal durch die bereits aufgeführten
Grundsätze und durch einige unten näher ci-läuterten konstruktiven Verbesserungen.
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Diese \laschine besteht aus einem feststehenden Gehäuse t, einem Läufer
2, einem Lader 3, evtl. einer .\bgasturbitie d. .\ni Eintritt und/oder Austritt
bewirken Leitschaufeln die evtl. erforderliche Lenkung der Flüssigkeit. Die Trennwand
6 trennt während der Spülung die Flüssigkeit von den Gasen. Das Geliiiuse ist zum
Teil mit Flüssigkeit 7 gefüllt, die ini Betrieb rotiert. Die Dreh- und Uinlaufrichtung
sind durch Pfeile angedeutet.
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I)er Läufer besteht im wesentlichen aus einer Ilohlwelle 8, zwei Endscheiben
9 und Schaufeln oder Trennwänden io, die die Verbrennungsräume voneinander trennen.
Der Läufer besteht ferner aus Blechen i r, die zur Verbesserung der Spülung dienen,
ferner aus Blechen 12, die die Störung der Flüssigkeitsbewegung durch die Coriolisbeschleunigung
verhindern.
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(Vergaser und Zündkerzen bzw. Einspritzdüsen sind nicht eingezeichnet.)
Die \\'irkutigsweise der Maschine ist folgende: her Lader fördert Frischluft in
das Gehäuse. Die Trennwand 6 leitet sie in die Verbrennungsräume, soweit sie ausgetaucht
sind. Dadurch «erden die verbrannten Gase verdrängt. Im weiteren Verlauf der Umdrehung
verdichtet die eintretende Flüssigkeit die Luft in den Verbrennungsräumen. Am Totpunkt
erfolgt die Zündung nach einer der angegebenen Methoden. _'\nschließend verläßt
die Flüssigkeit wieder den Verbrennungsraum und schließlich erfolgt wieder die Spülung.
Die Abgase verlassen die 1 aschine gegebenenfalls durch die Abgasturbine.
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Beim Austritt unmittelbar nach dem Totpunkt verlangen die Geschwindigkeitsdreiecke
eine endliche relative Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, wenn die absolute
Austrittsgeschwindigkeit gleich oder größer als die Eintrittsgeschwindigkeit sein
soll. Dies wird ermöglicht dadurch, daß, wie bereits erwä hnt, (las Gehäuse eine
solche Form erhält, daß der Austritt der Flüssigkeit unmittelbar nach dem Totpunkt
nicht über die volle Breite des Gehäuses erfolgt, sondern zunächst nur über einen
sehr kleinen Teil derselben, und daß sich der Austritt dann allmählich verbreitert,
wobei aber stets ein endlicher Austrittswinkel verwendet wird.
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Die Druck- und Geschwindigkeitsverteilung in der Flüssigkeit kann
ferner in gewissen Grenzen durch die Krümmung des Gehäuses geregelt werden.
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Auf diese Weise kann stoßfreier Eintritt und Austritt der Flüssigkeit
erreicht werden im Gegensatz zu den von S t a u b e r (a. a. O.) beschriebenen Konstruktionen.
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Ein weiterer Vorteil gegenüber den bisher bekannten Konstruktionen
liegt darin, daß weder Ventile noch Schlitze für die Gase verwendet werden, sondern
die Spülung durch die unverschlossenen Seiten der Kammern erfolgt. Es kann daher
auch Kohlenstoff als Kraftstoff verwendet werden.
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Uni die Beschleunigung der Oberfläche am Totpunkt weiter zu reduzieren,
erhalten die Verbrennungsräume eine Form, die bei möglichst großem Querschnitt an
der Oberfläche möglichst kleine Querschnitte in den Zwischenschichten ergeben..
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Leistungsgewicht und Wirkungsgrad lassen sich verbessern, indem man
die Maschine so konstruiert, (.saß bei jedem Umlauf mehrere Explosionen in jedem
Verbrennungsrautn erfolgen. Die schematische Darstellung einer solchen -Maschine
ist in 3 wieder-1)a gegenüber der Konstruktion nach Fig. t und 2 die doppelte Anzahl
von Explosionen und
damit die doppelte Leistung erzielt wird, die
Strömungsverluste jedoch nicht im gleichen Maße ansteigen, weil die Reibung im Gehäuse
gleich bleibt, so werden die Strömungsverluste geringer und der Wirkungsgrad entsprechend
verbessert.
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Bei den Konstruktionen nach Fig. i, 2 und 3 kann die Außenwand des
Gehäuses nicht zylindrisch sein, sondern maß in bestimmter Weise, die sich aus dem
Strömungsverlauf ergibt,von einem Rotationskörper almeichen. Infolgedessen ist es
auch nicht ohne \@-eiteres möglich, das Gehäuse zum Zwecke der Reibungsverminderung
mit dein Läufer umlaufen zu lasen. Es besteht jedoch folgende Möglichkeit, das Gehäuse
zylindrisch auszuführen arid umlaufen zu lassen: Das Schema dieser Anordnung ist
in Fig.4 für Maschinen mit nur einem Umlauf und in Fig. 5 finit zwei Explosionen
pro Umlauf dargestellt. In der Nähe des Totpunkts wird die Flüssigkeit durch Leitbleche
13. die nicht umlaufen, so abgelenkt, daß sich die erforderliche Strömung einstellt.
Hierbei wird also die Wandreibung teilweise vermieden.
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Eine: weitere Verbesserung in dem Sinne Heraufsetzung des zulässigen
Drucks bzw. Verminderung des spezifischen Gewichts der Flüssigkeit ist in Fig. 6
dargestellt. Diese Maschine besteht im wesentlichen aus einem Läufer 14 und einem
Gehäuse 15, das teilweise mit Flüssigkeit 16 gefüllt ist. Hier rotiert das Gehäuse
im gleichen Sinne wie der Läufer, jedoch mit geringerer Geschwindigkeit, z. B. finit
der halben U'inkelgeschwindigkeit des Läufers. Dieses hat den Vorteil, daß bei Verdoppelung
der absoluten Umfangsgeschwindigkeit des Läufers gegenüber der Konstruktion nach
Fig. i und 2 die Strömungsverluste gleich bleiben, da die Relativgeschivindigkeit
gleich bleibt, aber die Zentripetalbeschleunigung auf das Vierfache steigt.
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Im folgenden sind einige weitere Zellenradmaschinen beschrieben, bei
denen in der Nähe des Totpunkts die Spritzsicherheit durch hohe relative Austrittsgeschwindigkeit
und durch hohen statischen Gegendruck verbessert wird. In Fig. 7 ist eine Maschine
dargestellt, bei der nach dem Totpunkt die hlüssigkeit nicht in der z. B. in Fig.
i und 2 dargestellten Weise aus den Kammern in das Gehäuse Hießt, sondern durch
Schaufeln 17, die am Umfang des Läufers befestigt sind und durch an sich bekannte
Vorrichtungen gesteuert werden, entgegen der Umlaufrichtung in Kanäle 18 geleitet
wird, die die 1, lüssigkeit dem Läufer wieder zuführen, und zwar kurz vor dem Totpunkt.
Im weiteren Verlauf der 1 Tmdrehung stellen sich die Schaufeln entsprechend <lein
abnehmenden Druck in den Kammern so ein, daß trotz der veränderten Relativgeschwindigkeit
die absolute Geschwindigkeit stets den erforderlichen Wert beibehält. Wenn der Druck
so weit abgesunken ist, daß keine Spritzgefahr mehr besteht, stellen sich die Schaufeln
parallel zu den Trennwänden der Verbrennungskammern und die Flüssigkeitsströmung
ist wieder ganz ähnlich der in den Konstruktionen nach Fig. i und 2 angewendeten.
Die Beschleunigung der Flüssigkeitsoberfläche kann liier deswegen niedrig gehalten
werden, weil eine holte relative Austrittsgeschwindigkeit (durch engen Querschnitt)
und ein erheblicher statischer Gegendruck, nämlich der vor den Kammern, die sich
vor dem Totpunkt befinden, dies zulassen.
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An Stelle der Leitschaufeln am Umfang des Läufers können auch solche
in den Endscheiben verwendet werden, wie in Fig. 8 dargestellt. Die Schaufeln öffnen
sich in der Umgebung des Totpunkts und nehmen die für den Strömungsverlauf erforderliche
Stellung ein.
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1,-in anderer Weg, die Spritzsicherheit in der Nähe des Totpunkts
zu erreichen, ist in F ig. 9 dargestellt. I lier werden Schieber i9 oder Drehkolben
als Verlüiigerung der Trennwände verwendet. Sie sind zwangsläufig gesteuert, und
ihre äußeren Enden bewegen sich etwa längs der punktierten Linie 2o. In der Nähe
des Totpunkts wird also eine zwangsläufige Strömung herbeigeführt, und nur außerhalb
des Bereichs, in dem die Spritzgefahr bestände; ist die Strömung frei.
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Bei der Konstruktion nach Fig. io wird die Zwangsströmung während
des ganzen Umlaufs beibehalten. Es werden Schieber oder Drehkolben 21 verwendet,
die während der Spülung ganz aus den Kammern treten und hinter dem Leitblech für
Frischluft und Abgas mitgeführt werden. Da das Gehäuse zylindrisch ist und umläuft,
kann nur eine Explosion pro Umlauf in jeder Kammer stattfinden. Die Schaufeln können
hier am Gehäuse anliegen. Der Unterschied dieser wie auch der vorhergehenden Konstruktion
gegenüber der Drehkolbenmaschine von S t a u b e r ist vor allem der, daß die Flüssigkeit
während der Spülung ganz aus den Kammern tritt und von den Gasen während der Spülung
durch eine Trennwand (entsprechend 6 in Fig. 2) getrennt ist, und daß die Spülung
durch die äußeren Öffnungen der Kammern erfolgt und keine Ventile oder Schlitze
verwendet werden.
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Bei der Konstruktion nach Fig. i i und 12 besteht der Läufer aus Flüssigkeitsbehältern
22. Die Verbrennungsräume 23 werden einzeln so gesteuert, daß sie radiale Relativbewegungen
ausführen, und zwar so, daß sie zur Spülung ganz austauchen. Zur Verbesserung der
Spülung und Trennung der Gase von der Flüssigkeit dient dann das Leitblech 24. Bei
dieser Konstruktion treten keine Coriolisbeschleunigungen in der Flüssigkeit auf.
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Man kann auch die Verbrennungskammern auf einem Läufer befestigen
und die mit Flüssigkeit gefüllten Behälter radial führen, doch treten dann in der
Flüssigkeit Coriolisbeschleunigungen auf und die Massenkräfte sind größer, da die
Behälter notwendigerweise einen größeren Mittelpunktsabstand haben als die Verbrennungskammern.
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Bei den folgenden Konstruktionen wird neben der Flüssigkeit noch ein
fester Kolben verwendet, jedoch ohne die sonst üblichen Kolbenringe zur Gasabdichtung.
Hier dient die Flüssigkeit als Abdichtung des Kolbens. In Fig. 13 ist eine Konstruktion'
mit rotierenden Kolben und Verbrennungskammern dargestellt. Hier sind die Kolben
25 durch die Flüssigkeit 26 abgedichtet. Sie befindet sich in den Behältern 27.
Die Kammern 28 tauchen zur Spülung entweder ganz aus, oder sie enthalten Schlitze
(oder
Ventile), die beim Austauchen frei werden und durch die die
Spülung dann erfolgt. Zweckmäßig ist die Verwendung einer Flüssigkeitsabdichtung
zwischen der Wandung der Kammer und dem Kolben und/oder der `'Wandung des Behälters.