Flugkolbenmasehine mit geregelter Bewegung der hin- und hergehenden Teile. Flugkolbenmaschinen wären für gewisse Zwecke, zum Beispiel zum Antrieb von Kolbenverdichtern, Pumpen, hin- und her gehenden elektrischen Generatoren oder der gleichen, ideale Maschinen; da. die Arbeits übertragung unmittelbar durch die Kolben stange und oft selbst durch den gleichen Kolben erfolgt und alle bei der gewöhn lichen Kolbenmaschine zur Kraftübertragung und Lagerung erforderlichen Elemente, wie Kreuzkopf, Schubstange, Kurbelwelle, Ge stelle, Lager, Schwungrad usf., wegfallen.
Die unmittelbare Verbindung von Kraft- und Arbeitskolben gestattet auch die An wendung höchster Kolbendrücke, hoher Spielzahlen und Kolbengeschwindigkeiten. Diesen bedeutenden Vorteilen steht jedoch ein grosser Nachteil gegenüber, der die prak tische Anwendung dieser Maschinenart bis her nur auf ganz wenige Anwendungsfälle (Humphrey-Pumpe,Worthington-Pumpe etc.) beschränkte. Der Nachteil besteht in der Unregelmässigkeit und Unkontrollierbarkeit des Kolbenspiels und der daraus sich er-. gebenden Neigung zum Durchbrennen oder Stehenbleiben. .
Dieser Nachteil soll nun durch den Ge genstand vorliegender Erfindung behoben werden. Die Erfindung besteht darin, da.ss die Bewegung der hin- und hergehenden Teile der Flugkolbenmaschine durch besondere Vorrichtungen geregelt wird. Diese Vor richtungen sollen selbst keine oder nur un bedeutende Kräfte nach aussen übertragen und nur dazu dienen, die vollständige Durch- laufung des Hubweges oder die Einhaltung der Spielzeiten zu erzwingen, falls durch irgendwelche Störungen ein Aussertrittfallen der hin- und hergehenden Teile einzusetzen droht.
Die von der Flugkolbenmaschine zu leistende Nutzarbeit wird dagegen in be kannter Weise vom Kolben unmittelbar an die von ihm anzutreibende Maschine, die wiederum meistens eine Kolbenmaschine ist, abgegeben und, zum Beispiel in Form von Druckluft, Druckwasser oder auch elektri schem Strom nach aussen geliefert.
Um von der für die Hubregelung vorgesehenen Vor richtung gemäss der Erfindung andauernde und grössere Kräfte abzuhalten, werden in weiterer Ausbildung der Erfindung geeignete Mittel vorgeschlagen: So findet zum Unterschied gegenüber gewöhnlichen Kolbenmaschinen, bei denen das Schwungrad über das Gestänge einen Ausgleich zwischen der in jedem Zeitpunkte eines Hubes entwickelten und benötigten Arbeit schafft, bei der vorliegenden neuen Maschine( der Ausgleich ganz oder zum gröss ten Teil durch die Trägheit der hin- und her gehenden Massen allein statt.
Die nicht so fort umgesetzte Energie aus den treibenden Ii'o@lbenkräften wird in der Masse der hin- und hergehenden Teile aufgespeichert und unter Abnahme der Geschwindigkeit in einem späteren Zeitpunkte des gleichen Kol benspiels wieder abgegeben, Masse und Ge schwindigkeit der hin- und hergehenden Teile sind also so zu bemessen, dass, wenig stens bei normaler Belastung der Maschine, die Trägheit derselben den Arbeitsausgleich ermöglicht. Fällt jedoch ein Arbeitsspiel aus, so soll die besondere Vorrichtung die Beschleunigung und Verzögerung der Mas sen übernehmen und die Zuendeführung des Kolbenhubes erzwingen, bis wieder der normale Betriebszustand erreicht ist.
Die Energie hierfür wird von einem Schwung rad oder von dem Motor geliefert, der zur Bewegung dieser Vorrichtung vorgesehen ist (nicht gezeichnet). Die Unterstützung der Bewegung der hin- und hergehenden Teile durch ein Schwungrad ist also auf die kurzdauernden und selteneren; Fälle einer Betriebsunregelmässigkeit beschränkt, eine dauernde oder stetig vorkommende Übertra gung grösserer Kräfte nach aussen findet nicht statt.
Die Organe, die die hin- und hergehende Bewegung der Kolben der zum Beispiel gleichförmig drehenden 'Bewegung der Vorrichtung anpassen, können somit auch ganz anders gebaut und bemessen sein, als der kraftübertragende Kurbel- antrieb der normalen Kolbenmaschine, be sonders soweit es sich um Teile handelt, die mit Rücksicht auf Auflagepressungen und Abnutzung bemessen werden.
Es ist aber weiterhin noch folgendes zu beachten: Werden -die frei beweglichen Kolben der Flugkolbenmaschine der Einwirkung der bei der Entspannung der Treibgase auf sie wirkenden Kräfte überlassen, so werden diese Teile ganz bestimmte, von ihrer Masse und den beschleunigenden und verzögernden Kräften ahhängige Geschwindigkeiten an nehmen. Soll nun auf die den Gang dieser Bewegung kontrollierenden Einrichtungen keine Kraft ausgeübt werden, so muss auch die Bewegung der Angriffsstelle der hin- und hergehenden Teile (Kolben) und die jenige der Regelvorrichtung in Richtung der Kolbenbahn die gleiche sein.
Besser als durch einen Kurbeltrieb kann dies durch besonders geformte no-ckenartige Elemente erreicht werden. Ist der Übertragungsteil beispielsweise als Scheibe ausgebildet und der äussere Umfang zur Regelung der Kol benbewegung verwendet, so ergibt sieh als Scheibenumriss eine ganze bestimmte Kur venbahn, die umsomehr von einem Kreis (Exzenter) abweicht, je verschiedener Be schleunigung und Verzögerung der hin- und hergehenden Massen sind. Wird der Über tragungsteil ähnlich einem Taumelscheiben- a.ntrieb ausgeführt, so sind die seitlichen Begrenzungswände der Geschwindigkeits kurve der hin- und hergehenden Teile anzu passen.
Es lässt sieh jedenfalls erreichen, dass die Berührungsdrücke im normalen Be- triebszustande vernachlässigbar gering wer den. Für den Antrieb der Regelvorrichtung genügen sie auch dann noch. Um die Regel vorrichtung in gleichmässigem Gang zu er halten. wird sie mit einem Schwungrad ver sehen, das, wie oben bereits erwähnt, auch die Energie zur Nachhilfe im Falle von Stö rungen liefert. Die Bewegung der Regel vorrichtung lä.sst sich auch durch einen Mo tor besorgen, dessen Drehzahl beispielsweise durch besondere Mittel festgelegt wird.
Als Motor kann ein Elektromotor, eine Turbine oder auch eine Transmission dienen. Durch Änderung der Drehzahl ist dann leicht die Spielzahl der Flugkolbenmaschine und da mit die Leistung desselben zu regeln.
Die Maschine ist besonders geeignet zur Verarbeitung sehr hoher Drücke. Für Brennstoffgemische kann das Verpuffungs- oder das Gleichdruckverfahren Anwendung finden. 142h Vorteil wird man mit hohen Aufladedrücken arbeiten. Aus betriebs technischen und Konstruktionsgründen scheint diese Flugkolbenmaschine für die Verbrennung von Kohlenstaub besonders ge eignet.
In der Zeichnung sind drei Beispiele von Flugkolbenmaschinen gemäss der Erfindung in den Fig. 1, 3; und 5 im Längsschnitt schematisch dargestellt; die Fig. 2 und 4 zeigen Arbeitsdiagramme bezw. Kurven zur Erklärung der Arbeitsweise der Ma schinen.
Abb. 1 zeigt den allgemeinen Aufbau einer Flugkolbenmaschine gemäss Erfindung. Es sind 1 und 2 die Arbeitszylinder, 3 und 4 zum Beispiel zwei Verdichterzylin- der. In den Zylindern können sich die zu einem Stück vereinigten Kolben 5 und 6 hin und herbewegen. Ihrs Bewegung wird durch irgend ein Treibmittel herbeigeführt, zum Beispiel durch Dampf, Druckluft, oder sich entspannende Gasgemische. Die geleistete Arbeit wird in Form von Druckluft aus den Verdichterzylindern erhalten, mechanische Arbeit wird nach aussen nicht abgegeben.
Folgt die Bewegung der Kolben auch im wesentlichen frei unter dem Einfluss der Kolbenkräfte, so soll sie doch auch einer gewissen Kontrolle unterstehen, durch wel che im Falle von Unregelmässigkeiten Hub weg und Hubzeit (Spielzahl) zwangsläufig (-);eregelt werden. Die hierzu dienende Vor richtung besteht in dem Beispiel Abb. 1 aus Einer exzentrischen Scheibe 7. die sich zwi schen zwei im Innern der Kolben gelager ten Rollen 8 und 9 gleichförmig dreht.
Da diese Scheibe keine oder nahezu keine Ar beit überträgt, sind auch die Auflagedrücke zwischen Scheibe und Rolle sehr klein, und zwar um so kleiner, je mehr sich die Be wegung des Scheibenumfanges der Bewegung des frei fliegenden Kolbens anpasst. Bleibt der Kolben zurück, so wird er von der Scheibe, die entweder von einem besonderen Motor oder durch die Energie eines Schwung rades, das auf der Welle der Scheibe sitzt (nicht gezeichnet), in gleichförmiger Dre hung erhalten wird, mitgenommen. Die hier bei am Scheibenumfang auftretenden Kräfte können dann sehr gross sein, dauern aber nur kurze Zeit an. Es kann deshalb mit hohen Auflagepressungen gerechnet werden.
Um die Auflagedrücke im normalen Be- triebszustande fast auf Null zu vermindern, müssen einerseits die Massen der hin- und hergehenden Teile, denen durch die Kolben drücke eine bestimmte Geschwindigkeit er teilt wird, entsprechend bemessen sein, an derseits muss dem Umriss' der Scheibe eine solche Form gegeben werden, dass auch bei gleichförmiger Drehung der Scheibe die Ge schwindigkeit des Berührungspunktes auf der Scheibe in Richtung der Kolbenbahn bleich gross ist wie die jeweilige Geschwin digkeit der Kolben unter dem Einfluss der Kolbenkräfte.
Es ist hierbei zu beachten, dass auch durch besondere Bemessung der sogenannten schädlichen Räume der Verdicb- terzylinder eine Unterstützung der Kolben bewegung und ein gewisser Ausgleich für die Ungleichheiten der Kolbendrücke in den Arbeitszylindern geschaffen werden kann. In Abb. 2 sind zur allgemeinen Orientie rung die Druck- und Geschwindigkeitsver- läufe für die Arbeitszylinder und die ge genüber liegenden Verdichterzylinder für einen Hub in Funktion des Kolbenweges dargestellt.
Es ist zum Beispiel 11 das Dia gramm der Kolbenkräfte des Arbeitszylin ders, der beispielsweise als Gleichdruck- Verbrennungsmotor mit hoher Aufladung be trieben sein soll. 12 ist das Diagramm des Kolbenverdichters; 13 ist die Arbeitsfläche der rückentspannten Gase aus dem schäd lichen Raume und die rückgewinnbare Ar beit des Aufladegebläses. Um nun die Mas sen der hin- und hergehenden Teile und deren' jeweilige Geschwindigkeit zu bestim men, sind in bekannter Weise die gesamten treibenden Kräfte und die gesamten Wider standskräfte aufzutragen.
Die treibenden Kräfte, die sich im vorliegenden Beispiel aus den Drücken der expandierenden Ver brennungsprodukte, der Rückexpansion der Luft aus dem schädlichen Raum des zweiten Verdichters und' dem Ladedruck des Auflade- gehläses zusammensetzen, sind mit 14, die Widerstandslinie, die aus dem Verdichtungs- und Ausschubdruck des Verdichters, der Verdichtung des Verbrennungsgemisches im zweiten Arbeitszylinder und der gesamten Kolbenreibung besteht, ist mit 15 wieder gegeben.
Die von beiden Kurven: eingeschlos senen Flächen sind die Arbeitsflächen, die sowohl die Geschwindigkeit 16, als auch die Massen der hin- und hergehenden Teile be stimmen.
Für die Formgebung der Regelvorrich tung der Kolbenbewegung ist diese Geschwin digkeitskurve massgebend. Aus ihr lässt sich die Abwälzbahn sowohl für eine Scheibe, bei welcher der Aussenumriss zur Regelung benützt wird, als auch für eine Scheibe, die mit ihren Seitenflächen die Bewegung der Kolben kontrolliert, herleiten.
Im allgemeinen wird man nicht eine Flugkalbenmaschine allein betreiben, sondern man wird mehrere nebeneinander bauen, wo bei die Kolbenstellungen durch die Vorrich tung so versetzt werden, dass' ein Massenaus gleich herbeigeführt wird. Eine solche An ordnung ist in Abb. 3 dargestellt. Hier er folgt die Führung der Kolbenbewegung dureb Rollen 26, die auf den Seitenflächen einer sogenannten Taumelscheibe 24 abrol len. Es sind 21 die Arbeitszylinder, 22 die Verdichterzylinder, in denen sich die Kol ben 23 hin- und herbewegen. Die Hubkon trolle erfolgt durch die genannte Taumel scheibe 24.
Am Wellenende 25 kann ein Motor zur Aufrechterhaltung der verlang ten Drehbewegung oder auch lediglich ein Schwungrad angebracht werden (nicht ge zeichnet). Die Übertragung der Kräfte im Falle von Unregelmässigkeiten der Kolben- Bewegung erfolgt durch die Rollen 26, die, entsprechend den verschiedenen Umfangs geschwindigkeiten der .Scheibe gegen den innern undj äussern Rand zu, konisch geformt sind. Die kegelige Form gestattet auch ein leichtes Nachstellen der Rollen. Die Pfeile 27, 28, 29 geben die Strömungsrichtung des Treibmittels an.
Wird die Flugkolben maschine beispielsweise als Hochdruckstufe einer kombinierten Gasturbinenanlage be nützt, soi tritt bei 27 die an einem Auf ladegebläse vorverdichtete Luft in den Kolbenverdichter, wird dort auf höheren Druck gebracht und als Spül- und Ladeluft in die als Zweitakt-Gleichdruck-Verbren- nungsmotor arbeitenden Arbeitszylinder 21 durch Leitung 28 übergeschoben. Die noch hochverdichteten, durch die Spülluft aber auf ein zulässiges Nass abgekühlten Abgase verlassen bei 29 die Arbeitszylinder, um nun in einer Gasturbine die Nutzarbeit zu liefern.
Auch diese Anordnung der Flugkolben maschine lässt sich leicht so einrichten, dass die Bewegung der Scheibe die freie Flug bewegung der Kolben fast vollständig zu lässt. Zu diesem Zwecke wird die Kegelform der beiden Seitenwände so ausgebildet, dass ihre Abwicklung mit der Flugbewegung der Kolben übereinstimmt. Ist die Scheibe bei spielsweise eine schrägstehende, ebene Flä che, so ist die von ihr erzwungene Kolben bewegung eine reine Sinuslinie. Um eine der freien Flugbewegung ähnelnde Kurve zu erhalten, ist die Fläche zu wölben. Abb. 4 zeigt den Unterschied beider Fälle.
Es ist Kurve 31 die Geschwindigkeitskurve des Kolbens in Abhängigkeit vom Kolben weg, wie sie bei einer ebenen Taumelscheibe entsteht; 32 ist. die Geschwindigkeitskurve -unter dem Einfluss der Kolbenkräfte. Kur ven 33 und 34 geben die zugehörigen Be wegungen eines Punktes auf der Scheibe in Hubrichtung wieder.
Abb. 5 zeigt eine für die vorliegende Maschine besonders günstige Anordnung der Kraftzylinder, und zwar ebenfalls für Zweitakt - Gleichdruck - Verbrennungskraft- maschinen. Bei Anwendung hoher Vorver- dichtung und Auspuff bei hohen Gegen drücken ergeben sich auch bei verhältnis mässig grossen Leistungen sehr kleine Zylin derabmessungen. Die hohe Vorverdichtung bewirkt ferner verhältnismässig grosse Ver dichtungsräume. Beide Tatsachen machen die an sich bekannte Doppelkolbenanordnung, bei welcher ein Zylinder nur mit Spülschlit zen, der andere nur mit Auspuffschlitzen versehen ist, besonders vorteilhaft.
Es sind 41 und 42 die beiden Arbeitskolben, die von dem gemeinsamen Verdichterkolben 43 ge tragen werden. 4.1 sind .die Spülschlitze, 45 die Auspuffschlitze. Der Verdichtungsraum 46, in den bei 47 die Einspritzdüse einmün det, bildet eine für die Verbrennung denk bar günstige Form. Die Einlassventile 48 und die Auslassventile 49 des Verdichters können ausserhalb der Zylinderkörper ange- ärdnet werden, da,, wie im Vorstehenden er wähnt wurde, der Verdichter einen gewissen schädlichen Raum besitzen soll und sich da her ein Verlegen der Ventile in die Zylin derwände erübrigt.
Die Ventile können selbsttätig arbeiten, aber auch mit einer Steuerung versehen sein, die von der Regel vorrichtung aus bedient wird. 50 ist der Sammelbehälter für die Druckluft, die als Spül und Ladeluft für die Verbrennungsmaschine verwendet wird. 51 ist der Behälter, in den das Aufladegebläse die vorverdichtete Luft liefert. Die mit .der Spülluft gemischten Ab gase gehen bei 52 zur Crasturbine, um dort die Nutzarbeit abzugeben.