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Auspuffsystem für Dampflokomotiven
Bei Dampflokomotiven mit Auspuffbetrieb obliegt dem Auspuffsystem die Aufgabe, den für die Verbrennung nötigen forcierten Zug mit möglichst geringer Rückwirkung auf die Dampfmaschine, also geringstem Leistungsverlust, zu erzeugen.
Vom Erfinder wurde bereits vor Jahren erkannt, dass Lokomotiven der heute auf den Hauptbahnen üblichen Grösse mit den herkömmlichen einfachen kreisrunden Schornsteinen und zugehörigen Blasrohren nicht mehr wirtschaftlich arbeiten, weil der zur richtigen Dimensionierung der Blasrohranlage nötige Raum fehlt. Es müssen daher besondere Mittel angewendet werden, um trotz der beschränkten Höhenentwicklung eine wirtschaftliche Dimensionierung der Blasrohranlage zu ermöglichen. Derartige besonders geeignete Mittel sind z. B. in den amerikanischen Patenten Nr. 1998008 vom 16. April 1935 und Nr. 2055526 vom 29. September 1936 beschrieben.
Derartige verbesserte Blasrohranlagen, die vor- zugsweise durch dampfspreizende Zwischen- düsen mit divergierender Aussenwand oder durch
Schornsteine mit länglichem anstatt kreisrundem Querschnitt gekennzeichnet sind-letztere auch in Zusammenhang mit derartigen dampfspreizenden Zwischendüsen-, haben zwar, wie Versuche zeigten, den primären Zweck der Erzielung eines grossen Blasrohrquerschnittes erreicht und damit eine sehr bedeutende Senkung des Gegendruckes auf die Lokomotivdampfmaschine bewirkt, die vielfach über 50-60% betrug ; aber die zu erwartende Brennstoffersparnis blieb zunächst unerklärlicherweise aus.
Vom Erfinder wurde gefunden, dass der Grund für diese Erscheinung in der Tatsache liegt, dass moderne Grosslokomotiven je Einheit des Dampfzylinderinhaltes viel grössere Leistungen entwickeln als dies vor einigen Jahrzehnten der Fall war. Während bei besten Schnellzugslokomotiven aus den achtziger Jahren des vorigen Jahrhunderts die höchste indizierte Dauerleistung bei 4 PS je Liter Zylinderinhalt lag, stieg diese Leistung bei neuzeitlichen Lokomotiven europäischer Bauart mit einfacher Dampfdehnung auf 6-5 PS und in Amerika sogar auf 8-10 PS je Liter. Dies bedeutet, da die Drehzahlen hiebei ungefähr gleich blieben, dass mit Dampfdiagrammen von viel grösserer Völligkeit ge- arbeitet werden muss und dass damit die End- spannung im Augenblick der Auslassöffnung auf ein Mehrfaches der früher üblichen Werte anstieg.
Wenn nun eine derartige moderne Hochleistungslokomotive durch die Anwendung besonderer Mittel eine grosse Blasrohröffnung erhält, so entsteht besonders während des Anfahrens und der Bergfahrt eine sehr stossweise Feueranfachung, die den Wirkungsgrad des Kessels beeinträchtigt und dadurch unter Umständen den Gewinn durch den verringerten Gegendruck sogar in einen Verlust verwandeln kann.
Bei den alten, verhältnismässig schwachen Lokomotiven, deren tiefliegende kleine Kessel reichlich Raum für die Entwicklung der Blasrohranlage boten und bei denen daher in Übereinstimmung mit den Ergebnissen vorstehender Theorie relativ grosse Blasrohrquerschnitte ohne die Anwendung besonderer Hilfsmittel erzielbar waren, konnten wegen der verhältnismässig geringen Endspannungen in den Zylindern derartige grosse Blasrohrquerschnitte und damit auch die an sich sehr erwünschten geringen Gegendrücke keine nachteiligen Folgen bringen.
Unter die B--zeichnung"grosse"Blasrohrquer- schnitte fallen dabei nach den Feststellungen des Erfinders solche, die mehr als etwa 1/30 des freien Durchtrittsquerschnittes für die Rauchgase im Langkessel, oder mehr als etwa 0, 45 cm2 pro Liter gesamten Zylinderinhalt betragen.
Um nun auch bei Hochleistungslokomotiven die Vorteile geringen Gegendruckes durch grosse Blasrohrquerschnitte ausnützen zu können, wird gemäss der Erfindung der an sich bekannte sogenannte"Saugauspuff"mit der nach den Grundsätzen des Erfinders entwickelten Blasrohranlage kombiniert, wobei die von den einzelnen Dampfzylindern kommenden Auspuffleitungen oder Auspuffkanäle an ihren Vereinigungsstellen kleinere individuelle Querschnitte aufweisen als der Blasrohrquerschnitt oder, bei Anwendung mehrerer Blasrohröffnungen,
die Summe der Blasrohrquerschnitte. Dadurch wird der im Augenblick der Auslassöffnung durch das Steuerorgan noch relativ hochgespannte Dampf gezwungen, durch eine kleinere Öffnung zu entweichen und der Druck an der besagten Vereinigungsstelle (bei Mehrzylinderlokomotiven an den Vereinigungsstellen) wird durch die
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dort geschaffene höhere Strömungsgeschwindigkeit niedriger als der Druck im Blasrohr, was ein Ansaugen von Dampf aus dem zweiten Zylinder bzw. bei Mehrzylinderlokomotiven aus den übrigen Zylindern bewirkt. Die Energie des Auspuffstosses wird also beim Saugauspuff zur Arbeitsleistung durch Ansaugen von Dampf aus dem bzw. den anderen Zylindern verwertet und damit zum Teil aufgebraucht, so dass die Vehemenz des Stosses verringert werden kann.
Der Saugauspuff fand trotz verschiedener
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in neuerer Zeit sogar als aufgegeben gelten ; dies hat seinen Grund zweifellos darin, dass moderne Hochleistungslokomotiven mit ihren kleinen Blasrohröffnungen eine Querschnitts- verengung vor dem Blasrohr nicht mehr zulassen, während die älteren Lokomotiven zu kleine
Endspannungen aufwiesen, um den Saugauspuff wirtschaftlich in Erscheinung treten zu lassen.
Ordnet. man hingegen gemäss vorliegender
Erfindung den Saugauspuff in geeigneter Dimen- sionierung und Ausbildung in Kombination mit
Einrichtungen zur Erzielung von grossen Blas- rohrquerschnitten an, dann treten beide Ein- richtungen in eine solche Wechselwirkung zu- einander, dass die eine die zweckmässige Funktion der anderen massgebend unterstützt bzw. über- haupt erst ermöglicht und umgekehrt.
Obwohl die erfindungsgemässe Kombination von Saugauspuff und grosse Blasrohrquerschnitte ergebenden Einrichtungen ganz allgemein bei
Hochleistungslokomotiven die Vorteile des geringen Gegendruckes gewährleistet und damit insbesondere beim Anfahren und der Bergfahrt die den Wirkungsgrad des Kessels beeinträchtigende stossweise Feueranfachung vermeidet, sind bestimmte Verhältnisse der Saugauspuffquerschnitte zum Blasrohrquerschnitt bzw. Blasrohrquerschnitten von besonderem Vorteil.
Bei Zweizylinderlokomotiven beträgt das günstige Verhältnis der Summe der Querschnitte der sich vereinigenden Auspuffkanäle an ihrer Vereinigungsstelle zu dem Blasrohrquerschnitt weniger als 150%, jedoch mehr als 100%, bei Drei-und Mehr-Zylindermaschinen weniger als 180%, jedoch mehr als 100%. Ferner ist es zweckmässig, sowohl die Zwischendüse als auch das zugehörige Blasrohr in der Durchflussrichtung des Dampfes mit divergierenden Aussenwänden und dampfspreizenden Einbauten zu versehen, so dass praktisch der Strömungsquerschnitt durch die Zwischendüse einerseits und durch das Blasrohr anderseits keine wesentliche Änderung erfährt, der Dampf aber in divergierenden Dampfstrahlen das Auspuffsystem innerhalb einer gedachten Kegelfläche durchströmt,
deren Erzeugende von der Verbindungslinie des Innenrandes des Blasrohres und des inneren Schomsteinrandes gebildet wird.
Für das den Gegenstand der Erfindung bildende Auspuffsystem ist die Art der Steuerung der Lokomotivdampfmaschine unerheblich, d. h., das neue Auspuffsystem eignet sich für Dampf- lokomotiven mit zwei oder mehreren Auspuffzylindern, die entweder schiebergesteuert oder ventilgesteuert sein können. Dagegen ist die Ausbildung der Steuerung von nicht unerheblichem Einfluss für die kombinatorische Wirkung des Auspuffsystems. Besteht die Steuerung aus einer Kulissensteuerung, so ist eine sogenannte Auslassüberdeckung zweckmässig, die mindestens plus 2% des Schieberweges bei 70% Füllung beträgt, das sind normalerweise mindestens 3 mm. Bei Ventilsteuerung tritt an Stelle des Schieberweges die Horizontalprojektion der Bewegung der äquivalenten Antriebsstange.
Auch die Form des Schornsteines der Lokomotive ist für das erfindungsgemässe Auspuffsystem unwesentlich, d. h., das lichte Querschnittsprofil des Schornsteines kann rund, aber auch oval sein. Während aber bei Schornsteinen mit rundem oder breitovalem Querschnitt die Vorsehung dampfspreizender Einbauten sowohl in der Zwischendüse als auch im Blasrohr von Wichtigkeit sind, können diese Einbauten bei schmalen, ovalen Schornsteinen zweckmässigerweise entfallen. Bei Schornsteinen der zuletzt angeführten Form und sehr schmaler, schlitzförmiger Blasrohröffnung kann sogar die Zwischendüse zur Gänze in Wegfall kommen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Die Fig. 1-8 zeigen das Auspuffsystem bei einer Dampflokomotive mit Schornstein von rundem Quer-
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durch die Rauchkammer der Lokomotive und dem darin eingebauten Auspuffsystem, Fig. 2 ein Querschnitt nach Linie II-II der Fig. 1.
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der Fig. 2 dargestellt. Die Fig. 5 und 6 zeigen Querschnitte nach den Linien V-V bzw. VI-VI der Fig. 1. Die Fig. 7 und 8 sind Schnitte nach den Linien VII-VII bzw. VIII-VIII der Fig. 2. In den Fig. 9-12 ist das Auspuffsystem in beispielsweiser Anwendung bei einer Dampflokomotive mit ovalem Schornstein veranschaulicht.
Hiebei zeigt Fig. 9 ähnlich der Fig. 2 einen Querschnitt durch die Rauchkammer, die Fig. 10 und 11 zeigen Querschnitte nach den
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Fig. 12 zeigt eine Draufsicht auf den Schornstein.
In den Fig. 1 und 2 ist 1 die am vorderen Ende des Heizrohrkessels angeordnete Rauchkammer, in welche die in der Zeichnung nicht dargestellten, von der Feuerung der Lokomotive kommenden Heizrohre münden. 2 ist der Schornstein, der kreisrunden Querschnitt besitzt und sich verhältnismässig stark kegelig nach unten verjüngt. Der obere Rand des Schornsteines ist mit 3 bezeichnet. Der Schornstein ist mit einem Bund 4 ausgestattet, der sich mittels einer kugeligen Fläche 5 auf den pfannenartig ausgedrehten Rand einer im Mantel der Rauchkammer 1 befestigten Hülse 6 abstützt.
An den Schornstein 2 ist mittels einer Flanschverbindung
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7 ein diffusorartig nach unten sich erweiternder Stutzen 8 befestigt, an dessen Flansch 9 die nachstehend beschriebenen Teile des Auspuffsystems, u. zw. eine Zwischendüse 11 und ein Blasrohr 21, nacheinander von unten angesetzt und befestigt sind.
Die Zwischendüse 11 besteht aus einem Rohrstutzen, dessen unterer Teil 12 diffusorartig sich erweitert und dessen oberer Teil 13 divergierende Seitenwände besitzt. In diesem oberen Teil sind dampfspreizende Einbauten 14 vorgesehen ; dieselben sind vorzugsweise kreuzförmig ausgebildet (Fig. 7,8), die mit den Seitenwänden vier divergierende Kanäle 15 bilden.
Die Divergenz dieser Kanäle und ihrer Aussenwände ergibt eine über die bekannte natürliche Divergenz des Auspuffstrahles hinausgehende radiale Ausbreitung desselben bei geringstem Energieaufwand zufolge sanfter Ablenkung, wodurch es möglich wird, einen relativ stark konischen Schornstein zu verwenden, der im unteren bis mittleren Teil einen verhältnismässig engen Mischraum, oben aber einen verhältnismässig grossen Austrittsquerschnitt besitzt. Dadurch wird die Mischung verbessert und der Stossverlust während der Mischung sowie der Austritts-Energieverlust verkleinert. Die Zwischendüse ist mit ihrem Mantel an Tragarmen 16 befestigt, z. B. angeschweisst, die um die Zwischendüse verteilt angeordnet sind und von denen einer in Fig. 1 mit strichpunktierten Linien angedeutet ist.
Diese Tragarme sind mittels eines Flansches 17 an der Unterseite des Flansches 9 befestigt und weisen einen unteren Flansch 18 auf, an dem wieder von unten her das Blasrohr 21 angeflanscht ist.
Das Blasrohr 21 weist ebenfalls divergierende Seitenwände 23 auf und ist mit dampfspreizenden, vorzugsweise kreuzförmig ausgebildeten Einbauten 24 versehen, welche mit den Seitenwänden 23 nach oben divergierend verlaufende Blasrohrkanäle 26 bilden (Fig. 3-5). Der obere innere Rand des Blasrohres ist mit 27 bezeichnet. Die Verbindung dieses Blasrohrrandes mit der Randkante 3 des Schornsteines stellt eine Kegelfläche 30 dar, zu der die Innenfläche des Schornsteines und der Zwischendüse in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise verlaufen. Bei diesem Verlauf nähert sich der Teil 12 der Zwischendüse allmählich der Kegelfläche 30 bis auf einen schmalen Ringspalt, von dem ausgehend der Teil 13 sich schwach von 30 wieder entfernt.
Auch die Schornsteinverlängerung 8 nähert sich allmählich der Kegelfläche 30 bis auf einen Ringspalt, von dem aus die innere Mantelfläche des Schornsteines und die Kegelfläche 30 bis zur Berührung am Rand 3 zusammenlaufen.
Das Blasrohr 21 ist mit einem Bund 28 von unten her am Flansch 18 befestigt. 29 ist ein zylindrischer Stutzenteil des Blasrohres 21, der in eine zylindrische Ausnehmung eines Saugauspuffkopfes 35 eingreift. Dieser Saugauspuffkopf bildet, wie insbesondere Fig. 2 zeigt, das Ende der von den Schieberkammern 36, 37 kommenden Auspuffkanäle 38, 39. Diese Kanäle vereinigen sich im Kopf 35, u. zw. derart, dass der Kanal 38 in der Mitte bei 38', der Kanal 39 zu beiden Seiten von 38'bei 39'und 39"unter- halb des Blasrohres ausmündet. Die Querschnitte der Ausmündungen 38', ?', 39"sind einzeln für sich kleiner als die Summe der Querschnitte der Blasrohrkanäle 26.
Dagegen soll die Summe der besagten Einzelquerschnitte 38', 39', 39"bei Zweizylinderlokomotiven weniger als 150%, jedoch mehr als 100% des Blasrohrquerschnittes betragen. Handelt es sich um eine Dreizylinderlokomotive, so soll die Summe der Querschnitte der von den einzelnen Zylindern kommenden Auspuffkanäle zwischen 180% und 100% des Blasrohrquerschnittes liegen.
Die in den Schieberkammern 36, 37 vorgesehenen, in der Zeichuung nicht näher dargestellten Schiebersteuerungen weisen eine Auslassüberdeckung von mindestens plus 2% des Schieberweges bei 70% Füllung auf. Bei dem für Lokomotiven normalerweise in Betracht kommenden Abmessungen beträgt die Überdeckung mindestens 3 mm. Ist die Lokomotive mit Ventilsteuerung ausgestattet, so tritt an Stelle des vorstehend hinsichtlich der Auslassüberdeckung festgelegten Schieberweges die Horizontalprojektion der Bewegung der äquivalenten Antriebsstange für die Ventile.
Vom Rand des Flansches 17 der Tragenrichtung verläuft ein zweiteiliges Funkengitter 31 nach abwärts. Der Saugauspuffkopf 35 ragt durch eine Öffnung < ? der Rauchkammer und ist mittels eines Flansches 41 an der Rauchkammer bzw. einer Zwischenplatte von unten her befestigt. Bei der Montage wird zweckmässig wie folgt vorgegangen : Der Schornstein 2 wird in die Rauchkammer eingehängt ; sodann wird das Blasrohr 21 in den schon vorher montierten Saugauspuffkopf 35 lose eingesetzt, die Tragvorrichtung 16 mit der Zwischendüse 11 daraufgesetzt und mittels des Flansches 18 mit dem Flansch 28 am Blasrohr verbunden.
Dann wird der Schornstein-Verlängerungsstutzen 8 zwischen die Flanschen 17 und 7 eingeschoben und an beiden befestigt, wodurch die Teile 11 und 21 etwas gehoben werden und zwischen dem unteren zylindrischen Ansatz des Blasrohres 21 und dem Saugauspuffkopf der Schlitz 34 entsteht, der auch das zur Aufnahme der Wärmedehnungen im Betrieb und der Bearbeitungtoleranzen nötige Spiel in vertikaler Richtung ergibt.
Der von den Schieberkammern 36, 37kommende Abdampf strömt abwechselnd durch die Mündungen 38'bzw. 39', 39"in die Blasrohrdüse 21 aus. Der relativ hochgespannte Abdampf wird dabei gezwungen, durch die kleinen Mündungen 38', 391, 39" zu entweichen, was eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und eine Erniedrigung des Dampfdruckes gegenüber dem Blasrohr 21 ergibt. Dies bewirkt, dass bei Freigabe der Auslassöffnung des jeweilig anderen Dampfzylinders der Dampf aus diesem Zylinder
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angesaugt wird. Damit wird aber ein Teil der
Energie des Auspuffstosses zur Arbeitsleistung verwertet, also aufgebraucht und die Wirkung des Stosses entsprechend verringert.
Der Dampf tritt demnach mit geringerer Energie aus dem
Blasrohr 21 in die Zwischendüse 11 ein und durchströmt diese und dann den Schornstein, wobei im Bereiche der unteren Teile von Zwischen- düse und Schornstein die Rauchgase angesaugt und mit Dampf beim Schornstein herausgeführt werden. Die durch die Umwandlung eines Teiles der Auspuffenergie in nutzbare Arbeit erzielte Verminderung der Energie des aus dem Blasrohr auspuffenden Dampfes ergibt ein erheblich sanfteres Ansaugen der Feuergase und damit eine weniger stossweise Anfachung der Feuerung.
Die Ansaugung der Feuergase ist aber trotzdem eine sehr wirkungsvolle, da der Blasrohrquerschnitt durch die Vorschaltung des Saugauspuffkopfes nicht verändert wird und somit nach dem Gesetz von Zeuner die gewünschte Proportionalität des Gas-und Dampfgewichtes keine Veränderung erfährt, sondern lediglich die Strömung zeitlich vergleichmässigt wird. Die aus dieser Vergleichsmässigung naturgemäss folgende Energieersparnis wird im Saugauspuff in der beschriebenen Weise ausgenutzt. Die Feuergase werden zufolge der Anordnung der Zwischendüse an mehreren Stellen des Durch- strömungsweges des Dampfes durch das Auspuffsystem vom Dampf angesaugt und mitgenommen.
Somit wird trotz der bei Hochleistungslokomotiven wegen des hochliegenden Kessels und des niedrigen, tief in die Rauchkammer reichenden Schornsteines bestehenden beschränkten Raumverhältnisse sowie trotz ihrer grösseren Leistung je Einheit des Dampfzylinderinhaltes durch die erfindungsgemässe Kombination von Saugauspuff und grossem Blasrohrquerschnitt bzw. durch die mit diesen Kombinationen erreichten Wandlung eines Teiles der Auspuffenergie in nutzbare Saugarbeit eine erhebliche Brennstoffersparnis erzielt und gleichzeitig auch beim Anfahren und bei Bergfahrten eine ruhige, den Wirkungsgrad des Kessels günstig gestaltende Feueranfachung und Feuerhaltung gewährleistet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 9-12 ist 1 wieder die Rauchkammer und 42 ist der Schornstein, der in diesem Falle ovalen lichten Querschnitt besitzt (Fig. 12). Der Bund 44 des Schornsteines weist eine zylindrische Einstellfläche 45 auf, die sich auf dem entsprechend ausgenommenen Rand einer in der Rauchkammerwand 1 befestigten Hülse 46 abstützt. 48 ist eine diffusorartig nach unten sich erweiternde Verlängerung des Schornsteines.
Unter derselben ist eine Zwischendüse 51 angeordnet, die, wie insbesondere Fig. 11 zeigt, ebenfalls ovalen Querschnitt besitzt. Unter der Zwischendüse ist das Blasrohr 61 vorgesehen, das wiederum ovalen lichten Querschnitt aufweist.
An den Saugauspuffkopf 75 sind die von den Schiebsrkammern 36, 37 kommenden Auspuff- kanäle 38, 39 angeschlossen, deren langgestreckte Ausmündungen ?', 39', wie insbesondere Fig. 10 zeigt, nebeneinander liegen und eine
Querschnittsfläche besitzen, die jede für sich genommen kleiner ist als die Querschnittsfläche der Blasrohröffnung 56.
Die Summe der Querschnitte 38', 39'muss bei Zweizylinderlokomotiven weniger als 150%, jedoch mehr als 100% des Blasrohrquerschnittes, bei Dreizylinderlokomotiven weniger als 180%, jedoch mehr als 100% betragen. Die Zwischendüse 51 und das Blasrohr 61 weisen bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel keine dampfspreizenden Einbauten auf. Diese können zufolge der schmalen langgestreckten Ovalform dieser Elemente entfallen. Auch kann bei schmaler, schlitzförmiger Blasrohröffnung sogar die Zwischendüse als Ganzes in Wegfall kommen. Es ist aber auch möglich, solche dampfspreizende Einbauten bei Auspuffsystemen für ovale Schornsteine anzuwenden. Insbesondere empfehlen sich solche Einbauten bei Ovalformen, die grössere Breite besitzen.
Ansonsten sind Wirkungsweise und Vorteile der Auspuffanlage gemäss den Fig. 9-12 die gleichen, wie die beim Ausführungsbeispiel Fig. 1-8 beschriebenen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Auspuffsystem für Dampflokomotiven mit zwei oder mehreren Auspuffzylindern, bestehend aus einem oder mehreren Schornsteinen, einem oder mehreren zugehörigen Blasrohren und mindestens je einer dampfspreizenden Zwischendüse mit in der Durchflussrichtung divergierender Aussenwand, kombiniert mit Saugauspuff, bei welchem die Einzelquerschnitte der sich in ihm vereinigenden, von den einzelnen Zylindern kommenden Auspuffkanäle an ihrer Vereinigungstelle kleiner sind als der Blasrohrquerschnitt bzw. die Summe der Blasrohrquerschnitte.