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Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer mit einer Verbrennungskraftmaschine vereinigten Flüssigkeitsturbine.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb von Flüssigkeitturbinen, insbesondere solchen von Freistrahlturbinen mittels Verbrennungskraftmaschinen, wobei die kinetische Energie des aus der am Zylinder angeordneten Düse austretenden Wasserstrahles durch Explosion und Dehnung des Treibmittels einer Verbrennungskraftmaschine erzielt wird. Hiebei ersetzt die in den Zylinder unter Druck eingebrachte Flüssigkeit den Kolben der Verbrennungskraftmaschine und bewirkt solcherart die Verdichtung des Treibmittels, worauf es nach der Explosion bzw. Verbrennung desselben selbst wieder als Treibmittel für die Freistrahlturbine aus dem Zylinder ausgeblasen wird.
Die Vorrichtung ist demzufolge durch die Vereinigung einer im wesentlichen nach dem Zweitaktsystem arbeitenden Verbrennungskraftmaschine mit einer Freistrahlturbine gekennzeichnet, wobei die den Kolben des Verbrennungszylinders bildende unter Druck eingebrachte Flüssigkeitsmenge durch die am Zylinder angeordneten Düsen nach der Explosion die Schaufeln eines Peltonrades beaufschlagt, wobei Mittel vorgesehen sind, dass nicht nur die gesamte bei der Kompression den Druckkolben bildende Flüssigkeitsmenge, sondern auch die nachfolgenden Verbrennungsgase sowie ein Teil der des weiteren nachfolgenden Spülluft auf die Tangentialradschaufeln einwirken.
Durch dieses Verfahren sollen die Vorteile des Turbinenbetriebes mit jenen des Kolbenmaschinenbetriebes vereinigt werden, ohne dass die Nachteile beider Systeme hiebei in Kauf genommen werden müssen. Die bekannten Vorteile der Kolbenmaschinen bestehen darin, dass das Arbeitsmedium mit geringer Geschwindigkeit strömt, die Expansion und Kompression in demselben Zylinder bewirkt wird, die Tourenregelung einfach ist und die Umfangsgeschwindigkeiten so niedrig sind, dass in vielen Fällen ein direktes Kuppeln ohne Übersetzungen möglich ist.
Die erfindungsgemäss ausser Betracht fallenden Nachteile der Kolbenmaschinen sind die hin-und hergehenden Massen sowie die Verluste infolge der Umsetzung der geradlinigen in die drehende Bewegung,
Begrenzung der Kompressionsdrücke wegen Gefahr der Selbstzündung und damit begrenzter thermischer
Wirkungsgrad, schwierige Schmierung, keine Überlastungsfähigkeit, hoher Brennstoffverbrauch bei Drosselstellungen, Verlust der Auspuffenergie sowie die Notwendigkeit eines Schwungrades.
Anderseits haben die mit den bekannten Vorteilen verwendeten Gasturbinen den Nachteil eines schlechteren
Wirkungsgrades, einer hohen Geschwindigkeit des Arbeitsmediums, dadurch grosse Reibungsarbeit, die sich in Wärme umsetzt und die hiedurch bedingten Verluste jene von Kolbenmaschinen weit über- treffen sowie hohe Umlaufgeschwindigkeiten, welche immer Reduktionsgetriebe erforderlich machen, hohe Betriebstemperaturen, komplizierte Kühleinrichtungen und schwierigeRegelung. Gemäss vorliegender
Erfindung wird jedoch als treibendes Mittel der Maschine Wasser benutzt, welchem in getrennten Kammern, in denen es gleichzeitig den Kompressionskolben ersetzt, durch Expansion von Verbrennungsgasen die notwendige Energie erteilt wird.
Auf der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens im Schema, Fig. 2 eine beispielsweise Aus- führungsform derselben in Ansicht und Fig. 3 in Draufsicht.
Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Freistrahlturbine 1, einer Wasserpumpe 2. einem Niederdruckgemischgebläse. 3 und aus ein oder mehreren Zwillingsgruppen von Verbrennung- kammern 4 und . Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist nunmehr folgende :
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Durch Inbetriebsetzung der Pumpe 2, die zweckmässig von ein ? m von der Triebachse J getrennt angeordneten Motor angetrieben wird, wird das von der Turbine 1 abgeflossen Wasser. das sich am Boden eines mit einer Nachfüllöffnung 6 versehenen Gehäuse 7 ansammelt, durch ein Steigrohr 8 und durch das Wassereinlassventil 9 in jene der beiden Arbeitskammern 4 und 4'eingebracht, welche vorher durch das Gebläse 3 ausgespült wurde und mit Frischgas gefüllt ist.
Das Auslassventil 10, dessen Feder 11 so bemessen ist, dass sie gerade dem Kompressionsenddruck standhält, wird durch das Öffnen des Wasser-
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der Verbrennungskammer befindlichen Wasserkolben mit entsprechender Geschwindigkeit durch die Düse-M nach aussen, wobei der austretende Wasserstrahl unmittelbar auf die Schaufeln des Freistrahlrades 1 einwirkt und dieses dadurch antreibt. Da das Auslassventil 10 durch den Verriegelungshebel 73 in der Offenstellung gehalten bleibt, strömen die bis zu einem gewissen Grad entspannten Verbrennungs- gase nach, die bei ihrem Austritt das noch im Zylinder befindliche Wasser mitreissen und wirken gleich- falls leistlmgserzeugend auf das Schaufelrad der Hochdruckturbine.
Es wird also die den Auspuffgasen noch innewohnende Energie im Gegensatz zu den übrigen Gasmaschinen grösstenteils in nutzbare Arbeit umgesetzt. Sofern die Entspannung der Auspuffgase unter den Druck des mit geringem Überdruck wirkenden Gaskompressor 3 gesunken ist, öffnet sich das auf diesen Überdruck mit der Feder 16 ein- stellbare Einlassventil J7, wodurch die mittels des Kompressors eingebrachte Frischluft die Abgase vor sich herschiebt und den Zylinder spült. Ein in den Kompressor einmündendes Gebläss füllt die Kammer 4 nach dem Schliessen des Auslassventiles 10 mit frischem Gas, worauf sich das Spiel in dieser Kammer wie besehrieben wiederholt.
Das Schliessen des Auslassventiles-M und gleichzeitige Einströmen des Wasstrs wird dadurch bewirkt, dass die beiden Wassereinlassventile 9 und 9'zwangsläufig durch eine Stange 18 derart miteinander gekuppelt sind, dass beim Schliessen des einen Ventile s das andere geöffnet wird.
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kann auf mehrfache Art in einfachster Weise durchgeführt werden. Die Wasserpumpe 2, welche die
Kompressionsarbeit zu leisten hat sowie das Gasgebläse 3 können direkt auf der Turbinenwelle 5 sitzen.
Zur Erzielung einer guten Regelung ist es jedoch vorteilhaft, diese Hilfsmaschinen durch einen gemein- samen Elektromotor 22 anzutreiben und ist eine beispielsweise Ausführungsform der Anlage in Fig. 2 und 3 in Auf-und Grundriss dargestellt. Hiebei ist die Wasserpumpe 2 direkt mit dem Elektromotor 22 ge- kuppelt, während das Gasgebläse 3 jedoch zur Erzielung kleinerer Abmessungen erst unter Zwischen- schaltung von Übersetzungsrädern 23 an den Motor angeschlossen ist, wodurch eine vielfache Tourenzahl des Elektromotors für das Gebläse erzielt wird.
Der Elektromotor 22 wird beispielsweise von einer Akkumulatorenbatterie, welche gleichzeitig auch anderen Zwecken dienen kann (Beleuchtung bei Kraftfa, hr- zeugen u. dgl.), gespeist und dient zugleich zum Anwerfen der Anlage, da im Augenblick, in welchem die Funktion der Wasserpumpe und des Gasgebläses einsetzen, der Arbeitsprozess eingeleitet wird. Es entfällt daher ein Anlassen mittels von der Anlage getrennten Mitteln. Die Regulierung kann durch
Drosseln des Gasgemisches sowie durch Verengung des Düsenquerschnittes mit Hilfe von Nadeln nach der bei Peltonrädern üblichen Art erfolgen.
Bei der in der Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform mit getrennten und von der Turbine unabhängigen Antrieb der Wasserpumpe und des Gebläses ist es durch Regelung der Umlaufszahl des Elektromotors 22 möglich, nur durch diese eine ausserordentlich feine Regelung zu erzielen, da durch Veränderung der Wasser-oder Gasmenge der pulsierende Arbeitsvorgang in den Zylindern und somit die Umdrehungszahl der Turbine bei sonst gleichbleibenden Verhältnissen verzögert oder beschleunigt wird.
Ausserdem fliesst durch Erweiterung des für ein normales Drehmoment eingestellten Düsenquerschnittes das Wasser bei gleichbleibender Geschwindigkeit schneller aus der Düse ab, wodurch das Schaufelrad 1 in der Zeiteinheit mehr Wasser erhält, wobei naturgemäss die Tourenzahl der Wasserpumpe 2 und des Gasgebläses 3 entsprechend dem höheren Bedarf erhöht werden muss und sonach das Drehmoment der Turbine wesentlich gesteigert werden kann.
Es kann sonach bei gleichbleibender Tourenzahl der Turbine durch Erhöhung der Umdrehungszahl der Hilfsmaschinen unter gleichzeitiger Erweiterung der Düsenquerschnitte eine wesentliche Drehmomenterhöhung und somit eine starke Uberlastungsfähigkeit erzielt werden, wodurch selbst bei Maschinen mit stark wechselnder Belastung (Kraftfahrzeuge od. dgl. ) ein mechanisches Wechselgetriebe entfällt oder nur in zweistufiger Art ausgebildet werden muss. Eine Änderung des Drehmomentes ist überdies in einfachster
Art durch Änderung des Pumpendruckes möglich, da, die dadurch bedingte veränderliche Kompression eine Leistungsveränderung zur Folge hat.
Eine weitere Möglichkeit der Regulierung und Drehmomenten- steigerung besteht bei Anordnung mehrerer Gruppen von Zwillingsverbrennungskammern, welche gemeinsam auf das Turbinenrad wirken, darin, dass einzelne Doppelkammem bei entsprechender Regelung der Umlaufszahl der Hilfsmaschinen zu-oder abgeschaltet werden. Die konstruktive Ausbildung der
Vorrichtung ist eine beliebige.
Ebenso können in Abänderung des dargestellten Ausführungsbeispieles am Zylinder vor den Düsen 15 eigene Einspritzröhrehen vorgesehen sein, durch welche Wasser in die austretenden Verbrennungsgase eingespritzt wird um deren treibende Wirkung auf das Schaufelrad 1 zu erhöhen. Überdies kann die Form der Düse 15 bzw. 151 sowie die Feder 11 dem Ventilhub derart angepasst sein, dass der Ventilteller ;
? zur Abflachung der Spitzen des Diagramms nach der Explosion sich an der der Verschlussöffnung gegenüberliegenden Wand der Düse derart nähert, dass der Austritts- querschnitt so stark verengt ist, dass nur ganz geringe Wassermengen unmittelbar nach der Explosion ausströmen können, um solcherart den hohen Explosionsdruck längele Zeit auf den Wasserkolben wirken zu lassen, worauf bei sinkendem Druck der Ventilteller langsam zurückkehrt und in der in Fig. l gezeichnete verriegelten Stellung erst anlangt, wenn schon die letzten Flüssigkeitsmengen mit Auspuffgasen gemischt zum Austritt gelangen. Hiedurch wird der Flüssigkeitsdruck auf die Schaufeln während einer Expansionsdauer gleichmässiger gestaltet.
An Stelle des Gasgebläses 3 kann auch ein Luftgebläse Verwendung finden, wobei der Brennstoff nach Art des Dieselverfahrens in die hochkomprimierte Luft eingespritzt wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Betrieb einer mit einer Verbrennungskraftmaschine vereinigten Flüssigkeitturbine, dadurch gekennzeichnet, dass der in einer Verbrennungskraftmaschine die Kompression des Treibmittels bewirkende Flüssigkeitskolben aus der Verbrennungskammer nach der Explosion selbst wieder als Treibmittel auf eine Hochdruckturbine geschleudert wird.