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Kraft- oder Arbeitsmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraft-
oder Arbeitsmaschine mit einem oder mehreren auf einer Welle angeordneten Drehkörpern,
der oder die durch ein unter Druck stehendes Medium, insbesondere in Gasform, jedoch
auch in Dampfform oder flüssiger Form, angetrieben werden oder der oder die durch
eine von außen verursachte Drehbewegung der Welle ein gas- oder dampfförmiges oder
flüssiges Medium fortbewegen.
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Seit dem Bestehen der Kraftmaschine mit einem in einem Zylinder sich
bewegenden Kolben hat man versucht, den sich hin und her bewegenden Kolben durch
einen umlaufenden zu ersetzen, und mancherlei Vorschläge brachten hierzu Lösungen,
die jedoch infolge neuer, bisher wenig erprobter Konstruktionselemente, deren Herstellung
schwierig ist, nicht in Anwendung gekommen sind.
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Die Gasturbinen als Kraftmaschinen sowie die entsprechend konstruierten
Verdichter als Arbeitsmaschinen mit einer gleichförmigen Bewegung des Drehkörpers
weisen auch Nachteile auf, wie z. B. die hier als wesentliche Bauelemente benutzten
Schaufeln, deren Herstellung nicht einfach und daher teuer ist, die ferner bei hohen
Temperaturen neue Werkstoffe verlangen oder die nur unter überwindung großer Schwierigkeiten
gekühlt werden können, um zu einer wirkungsvollen Ausnutzung des Temperaturgefälles
zu kommen.
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Das erfinderische Neue besteht darin, daß der oder die eigentlichen
Drehkörper in radialer oder axialer Richtung oder in beiden Richtungen eine zusammenhängende,
vorzugsweise stetige Oberflächenänderung in bezug auf die Normalfläche aufweisen.
Diese Normalfläche ist z. B. eine Scheibe, die senkrecht auf einer Welle angeordnet
ist, oder z. B. ein Zylindermantel, der einer Welle zugeordnet ist. Von diesen Normalebenen
soll nach dem Erfindungsgedanken die wirksame Oberfläche abweichen,
jedoch
soll diese Abweichung nicht durch Unterbrechung, sondern durch eine Richtungsänderung,
die vorzugsweise stetig sein soll, bewirkt werden. Es werden hierbei neben allgemein
bekannten Effekten weniger-bekannte aus der Physik angewendet, durch deren Zusammenwirken
Leistungen erzielt werden, die anderen Erfindungsgedanken, wie sie z. B. in der
Tesla-Dampfturbine angewendet worden sind, versagt blieben. Ordnet man z. B., nicht
wie bei der Tesla-Turbine, eine Scheibe oder mehrere so an, daß ihre Ebene nicht
senkrecht zur Drehachse liegt, so kann man außer dem Effekt durch die Mitnahme einer
Grenzschicht des antreibenden oder zu bewegenden Mediums einen zusätzlichen erzielen.
Je nach dem Drehwinkel und der damit verbundenen Stellung der Scheibe oder der Scheiben
wird oder werden dann entweder diese wie die Flügel eines Windrades einerseits durch
eine Druckkomponente und andererseits durch eine Saugkomponente gedreht. Der erste
Effekt ist allgemein angewendet worden, der zweite weniger.
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Bei der Anwendung zweier Scheiben tritt jedoch noch die Wirkung hinzu,
die dem hydrodynamischen Paradoxon zugrunde liegt. Werden die Scheiben gekrümmt
angewendet, so kann, je nach der Ausführung der Krümmung, auch der Effekt in Anwendung
kommen, der bei Flugzeugen als Auftrieb dient. Unter Umständen kann ferner zusätzlich
der Magnuseffekt zur Ausführung kommen.
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Die nach dem Gedanken der Erfindung angewendeten Konstruktionselemente
sind verhältnismäßig einfach, sie sind daher in der Herstellung billig, und sie
können auch in einfacher Weise, falls dies notwendig sein sollte, gekühlt werden.
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Die Erfindung ist an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt Bild
i a zwei schief zur Welle stehende Scheiben in Ansicht, Auswirkung der Druckkomponente,
Bild i b zwei schief zur Welle stehende Scheiben in Ansicht, Auswirkung der Saugkomponente,
Bild i c Querschnitt durch die Anordnung gemäß Bild i a und i b in Richtung a-b,
Bild i d Versuchsanordnung mit zwei Scheiben im Schnitt, Bild i e Schnittbild nach
der Linie a-b des Bildes Y d,' Bild 2 Anordnung mehrerer Scheiben in schiefer Stellung
zur Welle, Bild 3 eine Scheibe auf einer Welle mit Darstellung des Vor- und Rückwärtslaufes,
Bild 6 Versuchsanordnung einer angeblasenen gekrümmten Fläche, Bild 4a zwei schiefgestellte
Scheiben auf einer Welle mit Austrittsöffnungen für das antreibende Medium, Bild
4b Schnitt durch die Anordnung gemäß Bild 4a nach der Linie a-b, Bild 5 aa vier
gekrümmte Scheiben auf einer Welle, Bild 5 ab die Anordnung 5 aa ist um 9o° gedreht,
Bild 5 ac die Anordnung 5 aa ist um 450 gedreht, Bild 5 ba drei Scheiben auf einer
Welle, die mittlere ebenso wie die beiden äußeren gekrümmt, ist gegenüber diesen
um go° -gedreht auf der Welle befestigt, Bild 5 bb Anordnung wie 5 ba, jedoch um
9o' gedreht, Bild 5 bc Anordnung wie Bild 5 ba, jedoch um . 45.' gedreht, Bild 7
a zwei Scheiben auf einer Welle, deren Oberflächen in mehreren Radialrichtungen
gekrümmt sind, Bild 7b Schnitt durch die -Anordnung 7a in Richtung a-b, Bild 8 a
Abwicklung zum Bild 7 a in der gestrichelt gezeichneten Kreislinie m des Bildes
7b, Bild 8b Abwicklung der Scheibe 7b, jedoch sind die Scheiben des Bildes 7 a gegeneinander
versetzt, Bild ga Ansicht und Schnitt eines Drehkörpers, dessen Manteloberfläche
stetige Krümmungen gemäß Bild gb aufweist, Bild 9 b Schnitt zum Bild 9 a in der
Richtung a-b, Bild ioa Anordnung wie Bild ga, jedoch mit zwei Endscheiben und einer
Mittelscheibe, Bild iob Schnittbild zum Bild ioa in Richtung a-b, Bild iia wie Bild
ioa, an Stelle der Mittelscheibe ist eine Wendel angewendet, Bild iib Schnittbild:
gewellter kegelstumpfförmiger Drehkörper mit Endscheiben und Wendel, Bild i2 a Drehkörper
mit Endscheiben, dessen Mantelfläche in radialer und axialer Richtung gemäß Bild
i2b verändert ist, Bild i2b Schnitt zum Bild i2a in Richtung a-b, Bild 13 a Ausführungsbeispiel
einer Gasturbine mit Wasserkühlung und Dampferzeugung (im Schnitt), Bild 13b Seitenansicht
und Schnitt in Richtung a-b des Bildes 13 a, Bild 14 a Ausführungsbeispiel einer
Windturbine mit senkrechter Achse, deren Zylinder drehbar um diese Achse angeordnet
sind, Bild 14b Schnitt durch die Anordnung gemäß Bild 14a in Richtung a-b, Bild
14c grundsätzliche Darstellung einer Gasturbine mit rotierenden Zylindern, die um
eine Achse kreisförmig angeordnet sind, mit Antrieb von innen.
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Die Bilder i a, i b und i c zeigen eine Welle i, auf der zwei Scheiben
2 und 3 schief zur Drehachse angeordnet sind. Ihre Lage fällt also nicht mit der
senkrechten Normalebene zusammen. Werden diese Scheiben durch ein Medium, z. B.
ein gasförmiges, tarigential in der Richtung des Pfeiles 5' angeblasen, so drehen
sich die Scheiben in der Richtung des Drehpfeiles D, und zwar wirkt sich im Bild
i a in bekannter Weise die Druckkomponente aus, während in der Stellung gemäß Bild
ib außer einer Saugwirkung das hydrodynamische Paradoxon wirksam wird; daß dies
der Fall ist, kann leicht durch den in den Bildern i d und i e dargestellten Versuch
bewiesen werden. Hier sind auf einer Nadel 6 zwei leichte Scheiben von runder. Form
(am besten aus Duraluminium) angeordnet. Sie sind im Bild i d und i e durch die
Zahlen 7
und 8 gekennzeichnet. Sie werden wahrscheinlich nicht die
Stellung einnehmen, wie dies im Bild i d durch die ausgezogene Linie dargestellt
ist, sondern eine etwas davon abweichende. Bläst man durch ein Rohr g tangential
zwischen die Scheiben 7 und 8, so werden sie vom Luftstrom mitgenommen, und sie
nähern sich dem Blasrohr g in der Stellung 7' und 8'. Hier drehen sie sich, solange
der Luftstrom anhält. Es tritt also hier außer der Mitnahme durch die Grenzschicht
an den Scheiben dasselbe ein, was dem hydrodynamischen Paradoxon zugrunde liegt.
Dieser Versuch läßt weitere Anwendungsmöglichkeiten zu.
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Wenn man gemäß Bild 2 mehrere solcher Scheiben auf einer Welle i anordnet,
z. B. die Scheiben 2, 3, q. und 5, und zwar jeweils versetzt gegeneinander, -z.
B. um i 8o°, wie dies das Bild 2 zeigt, so kann man durch einen tangentialen Gasstrom
in Richtung der Pfeile S ein möglichst gleichmäßiges Drehmoment erzielen. Scheiben
dieser Art können, wie Versuche gezeigt haben, durch verschiedenartige Medien angetrieben
werden.
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Das Bild 3 zeigt wiederum auf der Welle i eine Scheibe 2, die eine
von mehreren darstellt, und eine solche Scheibe ändert ohne weiteres ihre Drehrichtung,
wenn das Medium in der Gegenrichtung strömt. Je nach der Richtung des Mediums, das
unten oder oben den Kraftstrom S oder S' bildet, dreht sich die Scheibe in der Richtung
D oder D'. Durch diese Möglichkeit können sich mancherlei Vorteile ergeben, wie
beispielsweise der Fortfall der Rückwärtsturbine bei Dampfschiffen oder des Rückwärtsgetriebes
bei einem Kraftwagen.
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Die Scheiben können aber auch so beaufschlagt werden, daß, nachdem
die Arbeit an einem Scheibenpaar geleistet wurde, weitere mit dem abströmenden Medium
beaufschlagt werden, wie dies bei Dampfturbinen in bekannter Weise geschieht.
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Die Scheiben können aber auch nahe der Welle mit Öffnungen versehen
werden, um durch diese das Medium, das Arbeit geleistet hat, abströmen zu lassen.
Die Bilder q.a und q.b zeigen eine solche Anordnung; hier sind auf der Welle io
die Scheiben i i und 12 angeordnet; die Löcher sind durch die Zahlen 13 gekennzeichnet.
Das Medium tritt in der Richtung der Pfeile S ein; es verläßt die Scheiben in der
Richtung der Pfeile B.
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Bildet man die Scheibenform so aus, daß sie in einem oder mehreren
Radien oder Durchmessern oder Sehnen der runden Scheibenform stetig gekrümmt wird,
so kann man zusätzlich den Effekt ausnutzen, der bei einem Flugzeugflügel als Auftrieb
bekannt ist. Man kann mehrere solcher Scheiben auf einer Welle anordnen, wie dies
im Bild 2 vorher gezeigt worden ist. Die Bilder 5 aa bis 5 bc zeigen derartige Anordnungen.
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Im Bild 5 aa sind die Scheiben 15, 16, 17 und 18 auf der Welle 14
fest angeordnet. Diese Scheiben sind in der Richtung eines Durchmessers gekrümmt,
jedoch paarweise um i8o° gegeneinander versetzt. Werden diese Scheiben in der Richtung
der Pfeile S angeblasen, so drehen sie sich unter einer größeren Kraftwirkung; als
dies bei Anwendung ebener Scheiben der Fall ist.
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Das Bild 5 ab zeigt die im Bild 5 aa dargestellte Anordnung um go°
gedreht. Das Bild 5 ac zeigt die Anordnung gemäß Bild 5 aa um q.5° gedreht.
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Im Bild 5 ba sind- drei Scheiben 15, 16 und 17 auf der Welle 14 fest
angeordnet. Sie haben die gleiche Form wie die Scheiben des Bildes 5 aa, jedoch
ist die mittlere Scheibe gegenüber der Stellung der beiden äußeren um go° versetzt.
Das Bild 5 bb zeigt die gesamte Anordnung gemäß Bild S ba um go° verdreht, wogegen
das Bild 5 bc eine Ansicht nach einer Verdrehung um q.5° zeigt.
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Im Bild 6 ist dargetan, wie die Krümmung einer Fläche beim Anblasen
wirkt. Auf einer Nadel ig hängt ein Papier- oder Aluminiumblechstreifen, dessen
anzublasende Seite wie ein Flugzeugflügel gekrümmt ist. Bläst man diesen Streifen
von oben in der Richtung S an, so bewegt sich der gekrümmte Streifen in der Richtung
des Pfeiles B, d. h. sozusagen gegen den Luftstrom.
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Das Bild 7a und 7b zeigt die Anwendung von zwei Scheiben, deren Oberfläche
um mehrere Durchmesser symmetrisch liegend verändert ist. Im Bild 7 a sind zwei
solcher Scheiben 22 und 23 auf der Welle 21 befestigt. Bild 7 b zeigt den Schnitt
der Anordnung 7 a in der Linie a-b.
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Das Bild'8 a zeigt eine Abwicklung der Scheiben der Bilder 7a und
7b, und zwar in der Lage der Kreislinie m, die gestrichelt gezeichnet ist. Das in
der Richtung des Pfeiles S einströmende Medium verändert im Laufe des Durchströmens
seinen Querschnitt unter Kraftabgabe.
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Im Bild 8 ist die Abwicklung zweier Scheiben des Bildes 7 a und 7
b gezeigt, von denen jedoch eine gegenüber der anderen, wie im Bild 8b gezeigt,
versetzt ist, und zwar so, daß der Dampfstrahl, der in Richtung des Pfeiles S eintritt,
zwischen den gewellten Scheiben 26 und 27 zwar immer gleichen Querschnitt vorfindet,
jedoch beim Durchströmen laufend seine Richtung ändert. Hierdurch werden ebenfalls
Kraftwirkungen und Drehmomente erzielt. In den Bildern 8 a und 8 b deuten die eingezeichneten
Diagramme jeweils die Kraftzerlegungen an.
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Es ist ohne weiteres einzusehen, daß die in den Bildern i bis 8 dargestellten
Scheiben leichter gekühlt werden können, falls dies bei Kraftmaschinen notwendig
ist, als Schaufeln bei der gleichen Maschinengattung.
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Eine wesentlich einfachere Kühlungsmöglichkeit als bei Scheiben ergibt
sich durch Anwendung zylinderähnlicher Gebilde, deren Mantelfläche gewellt ist.
Das Bild 9 stellt einen derartigen Drehkörper dar, und zwar das Bild g a in Ansicht
und Schnitt in der Achsrichtung und das Bild gb im Schnitt a-b des Bildes ga. In
beiden Bildern ist die Welle mit 28 bezeichnet, die Stirnseiten sind mit den Zahlen
30 und 31 und die Manteloberfläche in gewellter Form ist durch die Zah12g
bezeichnet. Strömt ein Medium in der Richtung der Pfeile S ein, so dreht sich der
Körper in der Richtung des Pfeiles D.
Die Bildet ioä und iob stellen
eine ähnliche Anordnung dar, wie im Bild 9 a und 9 b gezeigt worden ist; hier sind
jedoch die Stirnseiten des Drehkörpers durch zwei Endscheiben 35 vergrößert. Die
wellige Oberfläche des Mantels ist . durch die Mittelscheibe 34 in zwei Teile 3
i und 32 geteilt; die Anordnung wird von der Welle 30 getragen. Strömt der
Dampf in Richtung der Pfeile S ein, so dreht sich der Drehkörper in der durch den
Pfeil D gekennzeichneten Richtung. Während das Bild ioa eine Ansicht des Drehkörpers
darstellt, zeigt das Bild iob ein Schnittbild nach Linie a-b des Bildes ioa.
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Ersetzt man die Mittelscheibe 34 des Bildes io a durch eine Wendel,
wie dies im Bild i i a geschehen ist, so erhält man einen längeren Weg des Treibmittels
zur Ausnutzung. Die Wendel verläuft über den Drehkörper mit der gewellten Oberfläche
37 von der Endscheibe 39 bis zur Endscheibe 4o. Mit 36 ist die Welle des Drehkörpers
bezeichnet.
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Um einer Expansion des Treibmittels besonders Rechnung zu tragen,
kann man, wie dies auch bei Dampfturbinen geschieht, statt eines gewellten Zylindermantels
einen kegelförmigen anwenden und dessen Wellungen mit einer Wendel mit sich vergrößernder
Steigung versehen. Im Bild i i b ist eine solche Anwendung wiedergegeben. 41 stellt
die Welle dar, 44 und 45 die Endscheiben, 42 den gewtllten Kegelmantel und 43 die
Wendel.
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Unter Umständen wird es zweckmäßig sein, statt einer hochkant stehenden
Wendel mehrere zu benutzen.
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Wie eingangs gesagt, kann man auch die Scheiben- und Zylinderform
vereinigen. Die Bilder i: 2a und i2b zeigen eine derartige Anordnung. Die Welle
46 trägt die Endscheiben 48 und 49; zwischen diesen befindet sich eineArt Hohlkehle,
deren Oberfläche gemäß den Bildern i2 a und i: 2b gewellt ist. Das Bild i2b zeigt
den Schnitt durch die Wellung nach der Linie a-b des Bildes i2 a.
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Die Bilder 13 a und 13 b zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Gasturbine,
und zwar Bild 13 einen Längsschnitt und Bild 13b eine Ansicht von der Stirnseite
sowie ein Schnittbild in der Richtung der Linie a-b des Bildes 13a. In beiden Bildern
haben die eingezeichneten Zahlen folgende Bedeutung: 5o teilweise hohle Welle, 51
gewellter Drehkörper mit den Endscheiben 52 und 53 sowie den Zwischenscheiben 54
und 55. Die Welle 5o hat zwei getrennte Durchbohrungen, eine enge 56 und eine weite
57. Der in der Richtung des Pfeiles .S eintretende heiße Gasstrom versetzt den Läufer
der Turbine in Umdrehungen; hierbei wird die gewellte Manteloberfläche des Läufers
erhitzt, so daß sie unter Umständen gekühlt werden muß, wie dies in den Bildern
13a und 13b durch den Wassermantel, der sich durch Rotation ausbildet, geschieht.
Das Kühlwasser wird durch das Rohr 58, durch die enge Durchbohrung 56 der Welle
50 und dem darauf befestigten Rohrstutzen 59 zugeführt. Der entstehende Wasserdampf
tritt durch die Löcher 61 und die weite Durchbohrung 57 der Welle 5o über den Rohrstutzen
62 nach außen. Er kann hier gegebenenfalls zum Antrieb einer Turbine oder zur Heizung
verwendet werden. Die Turbine ist durch das Gehäuse 63 abgeschlossen;, die Abgase
treten in Richtung des Pfeiles Z aus. Zum Eintritt der Treibgase dient der Stutzen
64, zum Austritt der Stutzen 65. Das Gehäuse ruht auf den Lagerfüßen 66.
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Bei der Anordnung zylinderförmiger Drehkörper mit einer wellenförmig
ausgebildeten Oberfläche zeigt diese eine zusätzliche Wirkung ähnlich dem Magnuseffekt;
diese kann besonders stark wirksam gemacht werden, wenn man die einzelnen Erhöhungen
der Manteloberfläche als Zylinder, die drehbar angeordnet sind, ausbildet. Versetzt
man diese in eine Rotation, daß beispielsweise die Umfangsgeschwindigkeit derselben
größer ist als die Geschwindigkeit des antreibenden Mediums" so wird eine besonders
starke Wirkung hervorgerufen. Der Antrieb kann sowohl von außen als auch von innen
erfolgen. Es tritt hier eine ähnliche Wirkung auf wie beim bekannten Flettnerrotor,
besonders wenn man den Richtungswinkel der Anströmung günstig wählt. Ordnet man
mehrere Zylinder als Manteloberfläche eines großen Zylinders an, so kann man hierdurch
bei einer Anordnung mit einer senkrechten Welle eine wirkungsvolle Windkraftmaschine
aufbauen,. welche die Nachteile vieler großer Windräder vermeidet. Selbstredend
ist es notwendig, die einzelnen Zylinder anzutreiben, wenigstens beim Anlauf, da
im Betrieb die einzelnen. Rotoren durch ein passendes Übersetzungsgetriebe die notwendige
Umfangsgeschwindigkeit erhalten können. Die einzelnen Rotoren sind zweckmäßigerweise
mit Endscheiben zu versehen. Gegebenenfalls erhält jeder Rotor eine wellige Oberfläche.
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Das Bild 14a zeigt eine Anordnung eines solchen Windrades mit senkrechter
Welle. Die einzelnen Teile sind wie folgt bezeichnet: Senkrechte Welle 70, untere
Lagerscheibe für die Rotoren 71, obere Lagerscheibe 72, Rotorachsen 73, Rotoren
74, Lager für die senkrechte Welle 75, Haltesäule 76, Übersetzungsgetriebe zwischen
Hauptwelle und Rotorwelle 78 und 79, Endscheiben der einzelnen Rotoren 77.
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Das Bild, i4b stellt einerseits einen Schnitt nach der Linie a-b des
Bildes 14a dar, andererseits die Kraftzerlegung an den Rotoren bei einfallendem
Wind gemäß den Richtungspfeilen S. Die gezeichneten Parallelogramme zeigen das Zustandekommen
des Drehmoments der Windturbine.
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Das Bild 14c_ zeigt die Entstehung des Drehmoments bei einem Antrieb
aus dem Innern der Gasturbine; die eingezeichneten Zahlen haben dieselbe Bedeutung
wie im Bild i4b, zusätzlich: 8o Gaszuführung, 81 Düsen.
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Die Wirkung der bisher beschriebenen Anordnungen ist auch umkehrbar.
Man kann bei der Drehung der Welle auch ein Medium ansaugen und es komprimieren,
falls es sich um Gase handelt, öder auch Flüssigkeiten ansaugen und fördern. Es
lassen sich aber auch besondere Effekte durch eine geeignete Anordnung einzelner
Elemente erzielen.
Ordnet man z. B. die schief zur Achse stehenden
Scheiben nicht versetzt, d. h. im gleichen Winkel, an, so kann man, wie Versuche
gezeigt haben, eine stoßweise Wirkung durch das Medium erzielen. Benutzt man hierbei
ein geeignetes Gasgemisch, so kann man eine zweite, ähnlich gebaute Turbine betreiben,
deren einmal eingeleitete Zündung weiterläuft, wie dies beim Schmidt-Rohr der Fall
ist. Man kann aber auch, wie vorstehend gesagt, eine Turbine benutzen und diese
in Verbindung mit einem Schmidt-Rohr bringen, gegebenenfalls kann das Schmidt-Rohr
als Kanal im Gehäuse der Turbine untergebracht werden.