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Druckturbine mit in einem Gehäuse rotierender, Druckkanäle enthaltender
Scheibe Gegenstand der Erfindung ist eine Kraftmaschine von der Gattung der Druckturbinen,
bei der ein gasförmiges oder ein flüssiges Arbeitsmedium über eine Düse mit großer
Geschwindigkeit gegen die Druckfläche eines rotierenden Druckkanals geleitet wird
und an der Druckfläche ein Staudruck wirksam ist, durch den sich eine im Gehäuse
der Maschine gelagerte Scheibe dreht. Damit unterscheidet sich die der Erfindung
zugrunde liegende Druckturbine sowohl von den Rückdruckturbinen, bei denen der Rückdruck
eines in Schaufelkanälen umgelenkten, durchströmenden Arbeitsmediums die Drehung
des Läufers hervorruft, als auch von den Drehkolbenmotoren mit Zündung eines Brenngases
innerhalb von Verbrennungskammern veränderlicher Größe.
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Bei Rückdruckturbinen mit in Schaufelkanälen umgelenktem, strömendem
Arbeitsmedium sind die Kanäle selbstverständlich stets am Ende offen, da sonst keine
Strömungsgeschwindigkeit denkbar ist, die im Zusammenwirken mit der Umlenkung im
Kanal für die Größe der am Laufrad wirksamen Tangentialkraft maßgebend ist.
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Bei Druckturbinen strömt hingegen das Arbeitsmedium kontinuierlich
oder auch periodisch in geschlossene Druckkanäle oder von Schaufeln dargestellte
Druckkammern ein, wo die Geschwindigkeitsenergie des einströmenden Mediums in Staudruck
umgewandelt wird.
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Bei Druckturbinen ist bisher noch nicht dem Umstand Rechnung getragen
worden, daß der sich aufbauende Staudruck nicht nur auf die von der Einströmung
beaufschlagte Druckfläche eines Druckkanals oder einer Druckkammer wirkt, sondern
auch auf die in Projektion gleich große rückwärtige Fläche des Druckkanals oder
der Druckkammer, z. B. auf die Vorderfläche einer nachfolgenden Schaufel. Damit
wird der die Leistungsabgabe bestimmende Druck zunehmend unwirksam, da er am Ende
der Einströmung auf die rotierende Scheibe gleich große Tangentialkräfte entgegengesetzter
Richtung ausübt.
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Ferner wurde erkannt, daß der auf die rückwärtige Fläche eines Druckkanals
wirkende und eine Tangentialkraft entgegen der Drehrichtung hervorrufende Druck
auch deshalb steigt, weil Restgas in dem Bereich des Druckkanals zwischen der Düsenöffnung
und der rückwärtigen Fläche, also dem Kanalende, bei der Drehung der Scheibe zunehmend
verdichtet wird, da der Düsenstrahl praktisch eine Sperrwand bildet. Dieser Druckanstieg
ist in der Lage, die Einströmung abzureißen und zum Erliegen zu bringen, bevor die
Düsenöffnung vom vorbeistreichenden, nicht ausgesparten Umfangsteil der Scheibe
abgedeckt wird.
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Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine Druckturbine der vorerwähnten
Art mit einer rotierenden Scheibe und darin ausgespartem Druckkanal oder ausgesparten
Druckkanälen zu verbessern, bei der einer Düsenöffnung - in der Drehrichtung der
Scheibe gesehen - eine Auslaßöffnung im Gehäuse nachgeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen durch das einströmende
Arbeitsmedium in einem Druckkanal erzeugten Druck während der ganzen Einströmung
nur auf die Druckfläche am Kanalanfang wirken zu lassen und gleichzeitig zu vermeiden,
daß der Düsenstrahl durch Druckanstieg im Kanalende vorzeitig abgerissen wird.
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In Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß
kurz vor jeder Düse -entgegen der Drehrichtung der Scheibe gesehen -eine Entlastungsöffnung
vorhanden ist, über die während der Einströmung des Arbeitsmediums durch die Düse
der Druckkanal auf seiner jeweiligen der Düse - entgegen der Drehrichtung der Scheibe
gesehen - vorgelagerten, sich während des Drehens der Scheibe verringernden Druckkanallänge
mit dem Raum außerhalb des Gehäuses verbunden ist.
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Es ist zwar bei einer Explosionsturbine mit Druckerzeugung im Druckkanal
bekannt, .die Auslaßöffnung kurz vor einer Einlaßöffnung anzuordnen, jedoch wird
durch diese Einlaßöffnung nur Spülluft eingelassen, die entgegen der Drehrichtung
des die Auslaßöffnung und die Spülluftöffnung kurzzeitig verbindenden Druckkanals
zum Auslaß ausströmen soll. Im Bereich der anderen Öffnung zum Einlaß von Brennstoffgemisch
(Vergaserbetrieb) oder Verbrennungsluft (Dieselbetrieb) wäre das Kanalende nach
-.wie vor nicht entlastet, wenn angenommen
würde, daß über diese
Öffnung eine geneigte Einströmung des Arbeitsmediums gegen die radiale Druckfläche
des Druckkanals stattfindet. Die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Entlastungsöffnung
ist somit durch den Stand der Technik nicht nahegelegt.
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Durch die Erfindung ist es erreicht worden, jeden Druckkanal, wenn
er an einer Düse vorbeistreicht und das gasförmige oder flüssige Arbeitsmedium aufnimmt,
auf dem sich stetig verringernden Bereich zwischen Kanalende und Düse offenzuhalten,
wodurch das Arbeitsmedium auf dem gesamten Bogenbereich des Druckkanals ungehindert
einströmen kann und nunmehr gewissermaßen der Düsenstrahl eine pneumatische oder
hydraulische, stehende Stützwand für den auf die Druckfläche des Kanals wirkenden
Tangentialdruck bildet. Gleichzeitig fällt durch die erfindungsgemäße Entlastung
des Kanalendes der leistungverzehrende Druck auf die rückwärtige radiale Fläche
des Kanals fort.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Druckturbine gemäß
der Erfindung für periodisch in Verbrennungskammern verbranntes Brenngas als Arbeitsmedium
dargestellt, und zwar zeigt F i g. 1 einen Schnitt nach der Linie A-A in F i g.
2 und F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie B-B in F i g. 1. Am Gehäuse 1 befinden
sich gegenüberliegend zwei Verbrennungskammern 2, die von einem anzuschließenden
Kompressor über Ventile 3 mit Gasgemisch aufgeladen werden.
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Zwei Düsen 4 münden aus den Verbrennungskammern 2 in Drehrichtung
einer Scheibe 5 in den zylindrischen Innenraum des Gehäuses 1 ein, der von
der Scheibe 5 ausgefüllt ist. Die Scheibe 5 ist auf einer Welle 6 aufgekeilt, die
im Gehäuse 1 gelagert ist.
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In der Scheibe 5 ist am äußeren Umfang ein bogenförmiger Druckkanal
7 ausgespart, dessen Länge von der Anzahl der Verbrennungskammern 5 abhängt und
an dessen Kanalanfang sich eine Druckfläche 8 befindet.
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Gemäß der Erfindung ist kurz vor jeder Düse 4 -entgegen der Drehrichtung
der Scheibe gesehen -eine Auslaßöffnung 9 angeordnet, die gleichzeitig eine Entlastungsöffnung
ist, über die der Druckkanal ? während der Einströmung des Brenngases aus jeweils
einer der Düsen 4 auf seiner der Düse 4 vorgelagerten, sich während
des Drehens der Scheibe 5 verringernden Länge, mit dem Raum außerhalb des Gehäuses
1 verbunden ist.
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Der Druckkanal 7 erstreckt sich über einen größeren Bogenwinkel als
der Winkel, der zwischen einer Düse 4 und der - in Drehrichtung der Scheibe gesehen
- nachgeordneten Auslaßöffnung 9 liegt, wodurch die jeweils offene Düse
4 über den Druckkana17 kurzzeitig mit der nachgeordneten Auslaßöffnung 9
in offene Verbindung kommt. Wenn hierbei das Ventil 3 der Verbrennungskammer 2,
in der das Brenngas gerade expandiert hat, geöffnet wird, so strömt kurzzeitig Frischgas
durch die Brennkammer 2 und den Druckkanal 7, so daß die Kammer 2 ausgespült wird.
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Die Wirkungsweise einer Druckturbine nach den F i g. 1 und 2 ist folgende:
Wenn der nicht ausgesparte Teil der Scheibe 5 eine Düsenöffnung 4 überfährt und
abdeckt, wird die zugehörige Verbrennungskammer 2 über das Ladeventil 3 von einem
Kompressor mit Gasgemisch aufgeladen. Nähert sich die Druckfläche 8 des Druckkanals
7 der Düse 4, so wird das Ladeventil 3 geschlossen und das Genisch
durch eine Zündkerze 10 zur Entzündung gebracht. Die Brenngase strömen mit
hoher Geschwindigkeit in den sich ständig vergrößernden Druckkanal?, in dem sich
ein Staudruck einstellt, der von der ungehinderten Einströmung entsprechend der
Volumenvergrößerung des Druckkanalanfangs aufrechterhalten wird. Dieser Druck wirkt
auf die Druckfläche 8 und treibt die Scheibe 5 an.
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Wenn der Kanalanfang 8 die nächste Auslaßöffnung 9 erreicht, treten
die Brenngase unter gleichzeitigem Ablauf des bereits geschilderten Spülvorganges
aus.
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Die beschriebene Ausführungsform einer Druckturbine kann wegen der
bei jeder Drehlage der Scheibe 5 stets offenen Verbindung zwischen einer Düse
4 und der der Düse 4 entgegen der Drehrichtung vorgelagerten Entlastungsöffnung
9 nicht unter Last anlaufen. Erfordern die Betriebsverhältnisse aber ein Anlaufen
unter Last, so kann man zwischen der Düse 4 und der Entlastungsöffnung
9 einen an sich bekannten Schieber anordnen, der in den Druckkanal ? eingesteuert
wird und ein Überströmen des Arbeitsmediums zur Entlastungsöffnung 9 verhindert.
Im Normalbetrieb mit hoher Drehzahl der Scheibe 5 werden die Schieber dann nicht
mehr betätigt.
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Die Druckturbine kann auch mit einem flüssigen Arbeitsmedium betrieben
werden.