Turbinengetriebene Lokomotive. Vorliegende Erfindung bezieht sich aiif turbinengetriebene Lokomotiven und hat zum Zweck, eine derartige Lokomotive besonders guter Betriebswirtschaftlichkeit herbeizufüh ren. Ferner wird ermöglicht, eine derartige Lolzomoti@.-e von grosser Leistungsfähigkeit unter verschiedenen Betriebsverhältnissen zu bauen.
Zu diesem Zweck wird die Lokomo tive nach der Erfindung derart konstruiere, (, der Wirkungsgrad der Turbine am gröss ten ist bei Lokomotivgeschwindigkeiten, die zwischen 0,25 und 0,75 der grössten zulässi gen Geschwindigkeiten der Lokomotive auf der Bahnlinie liegen und bei welcher das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeits- quadratsumme der Turbine und der Differenz der Wärmeinhalte des Dampfes zwischen Ein- und Austritt der Turbine grösser ist als 3800 : 1.
Die Erfindung ist beispielsweise auf den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht, ,;-obei Fig. 1 L eistungs- und Wirkungsgra.de- 1;urv en für verschiedenartige Lokomotiv- typen zeigt und Fig. 2 zwei verschiedene Wirkungsgradkurven für eine Lokomotivtur bine darstellt; Fig. 3 und 4 zeigen eine Lo komotive gemäss der Erfindung in Seiten ansicht bezw. in Vorderansicht bei teilweisem Schnitt.
Die in Fig. 1 gezeigten Kurven geben die Verhältnisse bei den verschiedenen Dampfmotoren bei Vollast und bei den be treffenden Geschwindigkeiten an. In Fig. l , in welcher die Abszisse die Geschw indigl.:ei': der Lokomotive und die Ordinate die indi zierte Leistung des Dampfmotors darstellen.
bezeichnet Kurve A die indizierte Leistung einer Kolbenmaschine bei verschiedenen Lo- komotivgeschwindigkeiten. Bis auf den einer gewissen Geschwindigkeit ss' entsprechenden funkt B auf der Kurve arbeitet die Kolben maschine mit der maximalen konstanten Fül- lnng und somit mit schwankender Dampf- rrenge, indem die Dampfmenge mit der Ge schwindigkeit zunimmt, während die Fül lung bei grösseren Geschwindigkeiten,
falls der Führer eine maximale Leistung erreichen will, mit der Geschwindigkeit der Lokomo tive schwankt und gleichzeitig die Dampf men2e konstant bleibt, weil das höchste Ver- dampfungsvermögen des Kessels erreicht ist. Die Kurve zeigt, dass die indizierte Leistung der Kolbenmaschine und damit ihr Wir kungsgrad mit der Geschwindigkeit der Lokomotive gesteigert wird und bei derjeni gen Geschwindigkeit<B>C</B> am grössten ist, die der grössten zulässigen Geschwindigkeit der Lokomotive auf der Bahnlinie entspricht.
Die Kurve D ist die Leistungskurve für eine Lokomotive gemäss der Erfindung, wo bei angenommen ist, die Turbine arbeite mit demselben Anfangsdruck und derselben An fangstemperatur wie die Kolbenmaschine der oben beschriebenen Lokomotive. Aus der Kurve geht hervor, dass die grösste Leistung beim Punkt E erhalten wird. Die Kurve G dagegen entspricht der indizierten Leistuno- einer Lokomotive nach der Erfindung, wobei angenommen ist, die Turbine ä,rbeite mit höherem Anfangsdruck und höherer An fangstemperatur als die früher beschriebenen Maschinen. Die grösste Leistung wird hier beim Punkt H erhalten.
Aus den beiden letz teren Kurven geht hervor, dass die grösste Leistung und somit die grössten Wirkungs grade bei Geschwindigkeiten E', H' erhalten werden, welche geringer sind als die oben erwähnte Maximalgeschwindigkeit <B>C</B>. Dabei ist zu bemerken, dass in dem gegebenen Bei spiel die Kurven D und G, welche die indi zierte Leistung der Turbinen angeben, für eine konstante Dampfmenge entworfen sind, wobei die Zugkraft der Lokomotive umge kehrt proportional der Zugsgeschwindigkeit ist.
Bei ortsfesten Dampfkraftanlagen, wo die Geschwindigkeit der Maschine stets konstant ist und mit der maximalen Geschwindigkeit übereinstimmt, erhält man den besten Wir kungsgrad des Dampfmotors bei seiner nor malen, das heisst maximalen Geschwindigkeit. Bei Lokomotiven werden andere Forderungen an den Dampfmotor gestellt, weil derselbe verhältnismässig selten mit maximaler Ge- sehwindigkeit läuft. Die normale Geschwin digkeit liegt erheblich unter dieser maxima len Geschwindigkeit und schwankt auch be trächtlich.
Gemäss den hier hervorgehobenen Gesichtspunkten wird die turbinengetriebene Lokomotive in solcher Weise konstruiert, dass sie ihren grössten Wirkungsgrad in der Nähe derjenigen Geschwindigkeiten erhält, mit welcher sie im allgemeinen betrieben wird. Die Erfahrung zeigt, dass diese Geschwindig keiten zwischen ? i und # der maximalen Geschwindigkeit schwanken.
Soll eine Lokomotivturbine gebaut werden, welche die gewünschten Eigenschaften auf weist, so muss darauf geachtet werden, dass das Verhältnis, erhalten aus der Division der Ge- schwindigkeitsquadratsumme mit der Diffe renz der Wärmeinhalte des Dampfes zwi schen Ein- und Austritt grösser ist als e00:1.. Unter Geschwindigkeitsquadrat- summe ist hier die Summe der Quadrate der Geschwindigkeit eines jeden Schaufelkranzes gemeint, welche Geschwindigkeit ii- ihrerseits wiederum von den Durchmessern der Schau felkränze und der Drehzahl )r abhängig ist.
Das Verhältnis zwischen den oben erv@ähnten Grössen kann:
EMI0002.0031
geschrieben werden und wird im folgenden die Kennzahl der Turbine genannt. Die Geschwindigkeitsqua- dratsumme und somit auch die Kennzahl be ziehen sich immer auf den Höchstwert der Drehzahl -ra. die natürlicherweise in den mei sten Fällen mit der Höchstgeschwindigkeit der Lokomotive übereinstimmt. Zweckmässig ist die Cxesch ,-in.digkeitsquadratsumme .tf' ri= grösser als 600,000.
Es ist zi, in Meter pro Sekunde absoluter Geschwindigkeit und die Differenz der Wärmeinhalte des Dampfes in Kalorien uemessen.
Die in Fig. ? gezeigten Turbinenkurven K und<I>T</I> sind in ein Koordinatensystem ein gezeichnet, und zwar mit der Geschwindig keit der Lokomotive als Abszisse und mit dem "#ÄTirkun-sgrad der Turbine als Ordi nate. Die untere Kurve K zeigt den Wir kungsgrad einer Turbine, bei welchem kein Abzub gemacht wird für im Schaufel system entstehende Stossverluste. An die ser Kurve zeigt es sich, dass die Kenn zahl 2800 einer gewissen Zugsgesohwin- digkeit .11' entspricht.
Ist die Geschwindig keit grösser als<B>IN',</B> beispielsweise<B><I>C</I></B>, so wird die Kennzahl grösser als 2800, und ist die Ge- -;chtvindigheit geringer als 1V1', so wird dit- Kennzahl kleiner als 2800. Wenn man somit.
fi.ir, den Lokomotivbetrieb eine Turbine ver wendet, deren Kennzahl kleiner ist als 2800, so wird ihr TIt)chstwirl@ungsgrad bei der maxi malen Cxeschv#incligkeit der Turbine gelegen sein. vorausgesetzt, dass das Schaufelsystem f'iir den höchstmöglichen Wirkungsgrad kon struiert ist und keine. unnötigen Stossverluste auftreten. Die Wirkungsgradkurve wird so mit bis an einen Grösstivert bei der maxima len Geschwindigkeit der Turbine steigen.
oder mit andern Worten, es ist beispielsweise nur ein Teil der Kurve links von 31' in der Figur. der gelten wird, und die Geschwin- cligkeit ?ll' wird einem Wert entsprechen oder erhält einen Wert, welcher der maximalen Crechwindigkeit der Turbine entspricht.
Dampfturbinenschaufeln müssen, wie be kannt, stets in solcher Weise konstruiert wer den, dass ihr Einlaufwinkel der normalen Ge schwindigkeit der Schaufeln angepasst ist. Bei Lokomotiven schwanken die Geschwin digkeiten sehr erheblich, und es ist daher wichtig, dass ein Schaufeltypus gewählt wird, der ohne nennenswerte Verluste wegen Wir belbildungen usw. für beträchtlich schwan kende Geschwindigkeiten und somit Einlauf winkel verwendet werden kann.
Diese Vor teile bietet eine bekannte Schaufel, deren gegen den einströmenden Dampf gerichtete Kante abgerundet ist, so dass die Schaufel hinsichtlich ihrer Form und Wirkung den Tragflächen einer Flugmaschine ähneln wird, (las heisst der Dampfstrom folgt den Schau felseiten - ohne )Virbelbildung. Kurve K in Fig. 2 ist auf die Anwendung derartiger Schaufeln gegründet, was daraus hervorgeht, closs der Unterschied zwischen den Kurven K und L sehr gering ist, insbesondere bei den normalen Geschwindigkeiten.
Zweckmässig ist eine derartige Turbine auch für teilweise Be- aufschlagung geregelt.
Mit den bisher gebauten, mit Kondensator versehenen Turbinenlokomotiven \var man hauptsächlich bestrebt. eine Ersparnis an Wasser und einen herabgesetzten Brennstoff verbrauch zu erreichen. Es hat sich indessen gezeigt. dass die durch den Kondensator zu erreichende Ersparnis in Ländern mit ver hältnismässig niedrigen Brennstoffkosten nicht immer den gesteigerten Herstellungs kosten entspricht. die durch den Kondensa tor verursacht werden.
Dieser hat somit sein? grösste Bedeutung in Ländern, wo der Vor rat an reinem Wasser gering ist und eine Verminderung oder Elimination des Wasser verbrauches erstrebt ist, während in Ländern, zvo der Wasservorrat reichlich ist und die Brennstoffkosten niedrig sind, der Konden sator geringe oder gar keine Bedeutung hat. Auch in Ländern mit gutem Brennstoffvor rat wird eine Brennstoffersparnis erstrebt, je doch in solcher Weise, dass sie sich als eine Ersparnis bei der Amortisation der Lokomo tive geltend machen wird. Es ist somit nicht früher möglich gewesen, turbinengetriebene Lokomotiven zu bauen, die in allen Fällen den erstrebten wirtschaftlichen Gewinn zu geben vermochten.
Fig. 3 und 4 zeigen eine turbinenangetrie bene Lokomotive, die ohne Kondensator aus geführt, dagegen mit einem Dampfkessel ver sehen ist, welcher durch einen Überhitzer mit dem Einlassteil einer Turbine für mindestens auf 400' C erhitzten Dampf in Verbindung steht, wobei der Dampfkessel zweckmässig für hohen Druck von mindestens 20 Atm. A.cl.missionsdrnek in der Turbine gebaut ist.
In diesen Figuren bezeichnet 1 den Lokomo- tivkessel, 2 seine Feuerung, 3 das Führer haus, =1 den Kohlenbehälter, 5 den Sammel- kasten des ITberhitzers, 6 die sichtbaren Teile der Überhitzerschlangen, 7 eine Dampflei tung zwischen dem Dampfkessel und dem LTberhitzer und 8 eine Dampfleitung zwi schen denn Tfiberhitzer und der Turbine 9.
Durch ein im Getriebekasten 10 vorgesehenes Zahnradgetriebe bekannter Art, wo Reversie- reu durch Einrückung eines zusätzlichen Zahnrades 11 zu erreichen ist, wird die Kraft von einer Blindachse durch die Kurbelstange 12 auf die Treibräder 13 übertragen.
Der Abdampf von der Turbine 9 wird nach einem Ejektor 14 zwecks Ausblasens der Abgase durch den Schornstein 15 gelei tet. Ferner kann der Abdampf durch die Rohrleitung 18 nach einem Speisewasservor- wärmer 19 und nach einer Stelle oberhalb des Rostes 20 geleitet werden, wo er in be kannter Weise unter Wirbelbildung in den Feuerraum 2 eintritt.
Die Turbine 9 ist in bekannter Weise im Verhältnis zum Zahnradgetriebe bewegbar, dagegen durch die Dampfauslassleitung 1(3 mit dem Vorderteil des Dampfkessels oder der Rauchkammer 17 fest verbunden. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist die Turbine auch seitlich des unter der Rauchkammer 17 an geordneten Zahnradgetriebes 10 verlegt.
Indem der Dampf auf mindestens 400 (" überhitzt wird, ist bei der Anwendung einer Dampfturbine möglich, den Brennstoff in einer derart vorteilhaften Weise auszunutzen, dass eine Brennstoffersparnis erreicht wird, welche, wenn die Überhitzung weit getrieben wird und besonders, wenn ein höherer Druck als 20 Atm. im Dampfkessel verwendet wird, derjenigen Ersparnis entspricht, die sonst er reicht werden könnte, falls der Abdampf nach einem Kondensator geleitet würde. Die erreichte Ersparnis wird somit nicht durch die Mehrkosten für einen Kondensator auf gewogen, weshalb diese Turbinenlokomotive im Betriebe billiger wird als die Lokomoti ven der gewöhnlichen Type.
Die Erfindung kann offenbar auch bei Lokomotiven angewandt werden, die mit einer Rückwärtsturbine an Stelle eines rever- sierten Getriebes versehen sind.
Wenn von der in Fig. 3 und 4 dargestell ten Lokomotive gesagt wird, sie sei "ohne Kondensator" -ebaut, so ist darunter zu ver stehen, dass sie keinen Kondensator für die Aufnahme des genannten Abdampfes von der Turbine besitzt. Dagegen ist es aber denkbar, dass auf der Lokomotive ein klei ner Kondensator vorgesehen ist, der zur Kon- densierung des Abdampfes irgendwelcher Hilfsmaschinen, zum Beispiel Dampfturbinen für den Antrieb von Ventilatoren, Pumpen usw. dient.