DE2524891A1 - Verfahren zum antreiben von schienenfahrzeugen und schienenfahrzeug mit ausserhalb des fahrzeugs angeordnetem motor - Google Patents

Verfahren zum antreiben von schienenfahrzeugen und schienenfahrzeug mit ausserhalb des fahrzeugs angeordnetem motor

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DE2524891A1
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DE19752524891
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Nikolaus Laing
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B61C15/00—Maintaining or augmenting the starting or braking power by auxiliary devices and measures; Preventing wheel slippage; Controlling distribution of tractive effort between driving wheels
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    • B61D43/00—Devices for using the energy of the movements of the vehicles
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T30/00—Transportation of goods or passengers via railways, e.g. energy recovery or reducing air resistance

Description

Dr. W. PFEIFFER
PATENTANWALT 8 MÖNCHEN 40 UNGERERSTR. 25 ULEFON 333626
Nikolaus Laina
Aldingen bei Stuttgart
DK 5400/la
Verfahren zum Antreiben von Schienenfahrzeugen und Schienenfahrzeug nit außerhalb des Fahrzeugs anaeordnetem Motor
Zusammenfassung
Die Erfindung besteht in einem Schienenfahrzeug, das von einem stationären Antrieb an jeder Haltestelle beschleunigt wird und dessen Verzögerungsenergie vor jeden Halten zurückgenommen wird.
Stand der Technik
Es sind Flugzeugkatanulte bekannt geworden, die durch stationäre Startvorrichtungen die gesamte Beschleunigungsenergie aufbringen. Es sind Bahnsysteme bekannt geworden, die in Röhren betrieben v/erden, aus denen die Luft evakuiert wurde und die mit Wasserdampf gefüllt wurden. Der Antrieb erfolgt
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durch Linearmotoren. Es sind weiter Bahnen bekannt neworden, die berührungslos duE>ch die Kräfte elektronisch gesteuerter Magnetsysteme gegenüber Stützschienen auf Distanz gehalten werden. Es sind schließlich Bahnen bekannt,bei denen Gleitschuhe durch ein. Pressluftpolster von den Schienen aberehoben werden. Keines dieser Verkehrssysteme arbeitet technisch oder wirtschaftlich zufriedenstellend. Katapulte führen zu unzumutbaren Beschleunigungen und Linearmotoren erfordern extrem hohe Investitionen. Die magnetische Aufhängung erfordert hohe elektrische Dauerleistung, wahrend die schwebefahr zeugähnlichen Bahnen hohe pneumatische Pumpleistungen erfordern und extreme Geräusch- und Staubbildung verursachen,
Aufgabe der Erfindung
Die Erfindung bezweckt ein Schnellverkehrs-System, mit welchem ohne den technischen Aufwand bekannter Bahnsysteme hohe Fahrt- und Beförderungsleistungen erreicht werden können,
Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgeraäße System ist gekennzeichnet durch eine außerhalb des Fahrzeugs angeordnete stationäre Antriebseinrichtung, die dem Fahrzeug während des Anfahrens kinetische Energie erteilt, und durch einen in dem Fahrzeug angeordneten Energiewandler, der bei einer Verzögerung des Fahrzeugs anfallende Bremsenergie größtenteils in eine sneicherbare Energieform umwandelt, die zur Speisung von Antriebseinrichtungen geeignet ist, welche sich in dem Fahrzeug befinden. Als bevorzugte Lösung sieht die Erfindung hydrostatische Linearlager vor, mit welchen die Fahrzeuge auf unterhalb oder vorzugsweise oberhalb des Fahrzeuges angeordneten Schienen gleiten.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Abdichtsysten, durch welches der unvermeidliche Leckverlust von hydrostatischen Lagern auf ein Minimum reduziert wird. Dieses Abdichtsystem entspricht wenigstens über einen Teilumfang der Lagerflächen einem hydrodynamischen Lager, in dem über Scherspannung Druck aufgebaut wird.
Die erfindungsgemäßen Fahrzeuge können in der freien Atmosphäre betrieben werden, jedoch besteht die bevorzugte Ausführungsform in einer Anordnung, bei der der Verkehrsweg als Röhre ausgebildet ist. Anstelle von verdünnter Luft sieht die Erfindung bevorzugt gesättigten oder überhitzten Wasserdampf vor.
Die Bremsung kann mit Fangdiffusoren bewirkt v/erden, die in eine Wasserrinne abgesenkt werden. Diese werden mit ihren iüintrittsöffnungen unter den Spiegel einer Wasserrinne abgesenkt. Das bei Absenkung des Fangdiffusors aufgetaute Wasser wird in einem Drucktank gespeichert. Die eingespeicherte Wassermasse übt auf das Fahrzeug einen Bremsimpuls aus,über den sich bei hinreichend feiner Abstufung nacheinander zum Einsatz gelangender Diffusoren unterschiedlicher öffnungsweite im Eintritt fast die gesamte kinetische Energie wiedergewinnen läßt.
Die Erfindung bezieht sich deshalb auch auf ein Verfahren zum Betrieb von schnellen Fahrzeugen. Dieses Verfahren basiert auf der Erkenntnis, daß die kinetische Energie mit dem Quadrate der Geschwindigkeit ansteigt. Das bedeutet, daß einer Geschwindigkeit von z.B. 1000 km/h einer kinetischen Energie entspricht, der eine geodätische Höhendifferenz von 4000 m zugeordnet ist.
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Die Erfindung sieht deshalb vor, nur während des Startvorganges kinetische Energie über stationäre Kraftmaschinen dem Fahrzeug aufzuprägen und dieses ganz oder weitgehend ohne eigenen Antrieb bis zur nächsten Station fahren zu lassen. Dort soll dann die noch erhebliche verbliebene kinetische Energie durch eine Nutzbremsung zurückgewonnen und zur Wiederbeschleunigung für die nächste Etappe eingesetzt werden. Dieses Verfahren setzt extrem geringe Widerstände zwischen Schiene und Fahrzeug einerseits und Fahrzeug und umgebender Atmosphäre andererseits voraus.
Erfindungsgemäß kann die Dichte der Atmosphäre dadurch klein gehalten werden, daß anstelle von Luft Wasserdampf als Atmosphäre in hermetisch abgedichteten Rohren Verwendung findet.
Energetisch liegen dem System folgende erfindungsgemäße Verfahrensschritte zugrunde:
1. Während der Startphase wird das Fahrzeug durch eine als Linearmotor dienende hydraulische Einrichtung, die als lineares Pendant der Pelton-Turbine anzusehen ist, be- . schleunigt, wobei die Austrittsgeschwindigkeit der Strahlen mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt und zur •Optimierung des Wirkungsgrades etwa der doppelten Fahrgeschwindigkeit entspricht.
2. Während der Startphase werden die Druckspeicher ganz oder teilweise entladen, indem das bei der Nutzbremsung gespeicherte Wasser zur Schuberzeugung ausgetrieben wird.
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3. Während des Betriebes nimmt die Pahrzeuggeschwindigkeit aufgrund des günstigen Qleitwinkels nur unbedeutend ab. Sie kann jedoch auch konstant gehalten werden, indem während der gesamten Fahrt ein Wasserstrahl ausgetrieben wird.
4a. Sofern das wasserbeschlenigende Triebwerk Verlustwärme erzeugt, wird diese dem austretenden Wasser aufgeprägt. Damit die Temperatur im Inneren der Röhre niedrig gehalten wird, es wird dabei die Wassertemperatur des getankten Wassers niedrig gehalten.
4b. Sofern das Wasser als Druckwasser gespeichert wird, wird ein Gaspolster, z.B. Wasserstoff,komprimiert. Die Kompressionswärme wird einem Latentenergie-Wärmespeicher zugeführt.
5. Ein vom Vortriebskreislauf unabhängiger Kreislauf versorgt hydrostatische Lager mit Druckwasser.
6a. Die Bremsung erfolgt über einen Lineargenerator, die kinematische Umkehr eines Linearmotors. Die Bremsenergie wird einem Energiespeicher im Fahrzeug zugeführt und dient nach der nächsten Wiederbeschleunigung zur Bereitstellung der Antriebsleistung für den Schubstrahl.
6b. Alternativ werden Fangdiffusoren während der Bremsphase in eine Wasserrinne abgesenkt, mit dem Druckwasser werden die Druckgasspeicher gemäß 4b wiedergeladen. Diese Energie steht für die nächste Start- und Fahrphase zur Verfügung.
7. Die Atmosphäre der Fahrröhre besteht aus Sattdarapf oder Heißdampf von Wasser bei vorzugsweise der mittleren Jahres-Bodentemperatur; er entspricht bei beispielsweise 16° einem Druck von 0,018 bar. Die aerodynamische Widerstandsleistung sinkt
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damit um zwei Zehnerpotenzen, verglichen mit der Widerstandleistung von Flugzeugen gleicher Beförderungskapazität und Geschwindigkeit. Aufgrund der höheren Schallgeschwindigkeit des Naß- oder Heißdampfes sind Fahrgeschwindigkeiten bis 1.000 km/h möglich.
Eine weitere Alternative der Erfindung sieht vor, daß die Speicher für die Bremsenergie nicht innerhalb des Fahrzeuges angeordnet sind, sondern in einem stationären System. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Schiene hohl ausgebildet wird und eine Reihe von Durchbrüchen aufweist, in denen sich Rückschlagventile befinden. Durch einen Gleitschuh wird diesen Öffnungen Druckwasser zugeführt, welches in das Innere des Rohres eindringt, während die Rückschlagventile ein Rückströmen verhindern. Dieses Rohr kommuniziert mit dem Druckspeicher.
Bei einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung wird die Schiene des Bahn-Systems als Rohr ausgebildet oder der Schiene ein Rohr parallel geschaltet. Dieses Rohr wird 'von einer Zange umschlossen, die entweder über Rollen oder vorteilhafter über hydrostatische Lager beweglich auf der Schiene gelagert ist. Innerhalb des Rohres befindet sich ein Kolben. Dieser Kolben wird durch den Druck von Preßluft bewegt und nimmt die ihn umschließende Hülse, die Magnete trägt, mit. Die Versorgung mit Preßluft erfolgt vorteilhaft aus einem Druckspeicher. Während der Bremsung wird die kinetische Energie des Fahrzeuges durch den gleichen Kolben in Druck der in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug befindlichen Luft umgewandelt. Dadurch wird die
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Energie fast voll umfänglich wiedergewonnen. Im Gasraum des Druckspeichers befindet sich vorzugsweise ein thermisches Speicher-System mit latentwärmeaufnehmenden Speicherkörpern großer Oberfläche; hierdurch erfolgt die Energiespeicherung durch Aufnahme der Verdichtungswärme fast isotherm und damit mit geringen Verlusten. Dieses System ist auch losgelöst von Bahnanwendungen zur vorteilhaften Speicherung von Peßluft verwendbar.
Die Erfindung soll anhand der Figuren erläutert werden: Figur 1 zeigt in perspektivischer Schnittansicht eine Fahrröhre mit einem Fahrzeug, das von der Seite des Bugkegels zu sehen ist, einer Schnellbahn nach der Erfindung.
Figur 2 zeigt ein Trag-Gleitlager nach der Erfindung in perspektivischer Teilschnittansicht.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch die Fahrzeugkabine einer Schnellbahn nach der Erfindung.
Figur 4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Startvorrichtung für eine Schnellbahn nach der Erfindung.
Die Figuren 5a und 5b zeigen in schematischen Darstellungen die Anordnung der Fangdiffusoren eines erfindungsgemäßen Bremssystems.
Figur 6 zeigt in einer Teilschnittansicht eine am Fahrzeug befestigte Antriebsdüse.
Figur 7 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine als Unterdruckschleuse ausgebildete Haltestelle für eine Schnellbahn nach der Erfindung.
Figur 8 zeigt eine Antriebsvorrichtung nach der Erfindung schematisch im Schnitt.
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Figur 9 zeigt schematisch ein Fahrzeug nach der Erfindung in einer Haltestelle.
Figur 10 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Schöpfrohre.
Figur 10a zeit einen Vertikalschnitt durch eine Führungsschiene.
Figur 10b einen Schnitt durch den Gleitschuh und die Führungsschiene eines Fahrzeugs nach der Erfindung.
Figur 11 zeigt schematisiert einen waagerechten Längsschnitt durch die Schiene und das Magnetsystem eines Fahrzeug-? systems nach der Erfindung.
Figur 12 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch diese Schiene und die Aufhängung des Fahrzeuges.
Figur 13 zeigt einen Querschnitt durch diese Schiene, den Druckluftkolben und die Gleithülse.
Figur 14 zeigt das Schema der pneumatischen Steuerung des Fahrzeugs an einer Haltestelle.
Figuren 15A - 15D zeigen den Aufbau des Verschlußschiebers in der Gleitschiene in verschiedenen Schnitten.
Figur 1 zeigt ein erflndungsgemäßes Fahrzeug in einer Fahrröhre 1. Der Querschnitt der Fahrröhre ist vorzugsweise ein unten abgeflachter Kreis. Oben in der Fahrröhre sind nebeneinander zwei Führungsschienen 2 an Haken 3 aufgehängt. Die Frontkabine 4 ist mit einem Bugkegel 5 versehen, dessen Spitze 6 durch Servoeinrichtungen 7 so weit von der Fahrzeugachse 8 zur Wand hin verschwenkt
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ist, daß keine örtlichen überschallgebiete auftreten. Zwischen den Kabinen sowie zwischen Kabine und Bugkörper sind ballige Ringe 10 angeordnet, die beim Kurvenfahren' und beim Verschwenken des Bug- und Heckkonus eine Anpassung ermöglichen. Unterhalb der Kabinen sind Pelton-Schaufeln 11 (siehe auch Figur 3) angeordnet. In den Kabinen befinden sich Drucktanks 12 und die Bestuhlung Traglager 14 umschließen die Leitschienen 2.
Im Betrieb der Bahn sind die Röhren, die mit Wassersattdampf bei einem Druck von ca. 0,018 bar gefüllt . Die zugehörige Sättigungstemperatur von 16 C entspricht der Erdboden-Jahresmitteltemperatur. In Sandböden erfolgt die Verlegung ca. 1,3 m unterhalb der Erdoberfläche, bei oberirdischer Anordnung ist die Röhre thermisch isoliert. Wassersattdampf besitzt eine Schallgeschwindigkeit von m/secf die also ungefähr 25 % höher liegt als die der Luft. Es ist daher im Gegensatz zu Luft ohne wesentliche Kompressibilitätseffekte eine Fahrgeschwindigkeit bis 1000 km/h möglich.
Die zur Beschleunigung der Bahn erforderliche Energie wird durch ortsfeste Beschleunigungs-Einrichtungen aufgebracht. Da die Widerstandsleistung mit der dritten Potenz der Fahrgeschwindigkeit ansteigt, kann der Betrieb ökonomisch nur in verdünnter Atmosphäre, also in Röhren, erfolgen. Als Schiene dient das Rohr 2, welches von hydrostatisch tragenden Gleitschuhen umschlossen wird, denen ein neues Prinzip zugrundeliegt, das einen berührungslosen extrem widerstandsarmen Betrieb ermöglicht. Die erreichbaren Gleitzahlen liegen bei 1 : 300. Die einer Geschwindigkeit von z.B. 1 000 km/h zugeordnete kinetische Energie entspricht einer geodätischen Höhendifferenz von 4.000 m. Das heißt, daß ein auf 1.000 km/h beschleunigtes
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Fahrzeug nach diesem Bauprinzip bis zum Abbau der gesamten Beschleunigungsenergie 1.200 km weit antriebslos fahren würde.
In der Praxis wird jedoch wegen der weit geringeren Durchschnittsentfernungen nur ein kleiner Teil der kinetischen Energie fürdie Überwindung des Fahrwiderstandes ausgenutzt werden, so daß der Bremsvorgang eingeleitet wird, wenn noch der größere Anteil der Startenergie vorhanden ist. Die Bremsung erfolgt als Nutzbremsung, so daß die Bremsenergie weitgehend für die erneute Beschleunigung zur Verfügung steht.
Dieses Grundprinzip, Einleitung der Beschleunigungsenergie über stationäre Kraftmaschinen und Rückgewinnung der verbleibenden kinetischen Energie durch Nutzbremsung, kann mit verschiedenen Systemen verwirklicht werden. Als optimale Lösung hat sich die umwandlung der Bremsenergie in Druckenergie unter gleichzeitiger Einspeisung der Kompressionswärme in Latentenergiespeicher erwiesen.
Figur 2 zeigt ein Traglager, welches um die Hochachse 20 verschwenkbar ist und aus zwei um die Längsachse 21 verschwenkbaren Teilen besteht, wobei der hinter dem Rohr 2 nicht sichtbare Bereich nur dann eingeschwenkt wird, wenn das Fahrzeug aus der Schiene gehoben wird. Eine Kammer 22 ist über Druckleitungen mit einer Presspumpe verbunden und nach vorn, nach hinten und zur Seite hin durch Dichtleisten 23 und 24 abgedichtet. An beiden Seiten befinden sich Kammern 25, die ebenfalls Dichtleisten aufweisen, aber wesentlich schmaler in der ümfangsrichtung ausgebildet sind und nicht der Tragfunktion, sondern lediglich der Führungsfunktion dienen. Betriebsmäßig ist es vorteilhaft, wenn die Leckströme so klein gehalten werden, daß die Temperatur der in den Kammern 22 und 25 eingeschlossenen Wasser-
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mengen bis nahe an den dem jeweiligen Arbeitsdruck zügeordneten Siedepunkt erhitzt werden. Die Dichtleisten 23, 24 und 27 weisen fast parallel zur Fahrtrichtung sich von außen nach innen erstreckende Rillen auf, die nur wenige yU tief sind. In diesen Rillen wird in Abhängigkeit von dem Leistenabstand von dem Rohr 2 und von der Fahrgeschwindigkeit ein nach innen zunehmender Druck aufgebaut, der durch entsprechende Dimensionierung etwa die Größe des Innendruckes annehmen sollte.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Kabine. Die Drucktanks 12, vorzugsweise aus Mineralfaser-verstärktem Kunststoff aufgebaut, weisen Zwischenböden 30 auf, unter denen Rollmembranen 31 angeordnet sind, deren Rollachsen 32 parallel zur Behälterachse verlaufen. Die Rollmembranen trennen den Druckgasraum DG vom Wasserraum W. Längs der Wandung verlaufen gasdurchlässige Behälter 34, in denen sich eine große Zahl von Hohlkörpern 35 befinden, die mit schmelzbarer Masse gefüllt sind. Als besondersgeeignet hat sich Bariumhydroxidoktahydrat erwiesen. Die Behälter 34 und 34a sind durch eine Membran 36 miteinander verbunden. Nach erfolgtem Einströmen des Wassers 37 senken sie sich ab, das Druckgas, z.B. Wasserstoff, tritt dabei mit den Speichermassen-gefüllten Hohlkörpern in Wärmetausch und lädt die Speichermasse auf. Die Endposition ist in der Lage 38 erreicht, wobei die Membran 36 sich zylinderförmig gelegt hat.
Aufgrund der geringen Dichte des Wassersattdampfes ist der aerodynamische Widerstand extrem niedrig. Bei einem Widerstandsbeiwert C =0,05 ergibt sich bei 750 km/h eine aerodynamische Widerstandsleistung von 600 kW. Das entspricht 1,5 % des Wertes, den zwei Verkehrsflugzeuge
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mit zusammen gleicher Nutzlast und gleicher Geschwindigkeit in 3.500 m Höhe (Kurzstrecken-flight level) aufzubringen haben. Die Widerstandsleistung der berührungslosen Lagerelemente beträgt bei dieser Geschwindigkeit ca. 740 kW. Dementsprechend sinkt die Gesamtleistung auf 3,3 %, verglichen mit den gleichschnellen Flugzeugen.
Unter dem Rumpf befinden sich längs der gesamten Rumpflänge Pelton-Schaufeln 11, die gegen das Rumpfinnere geräuschisoliert sind. Beginnend mit der Station, sind in Fahrtrichtung über ca. 7 km verteilt Pe]ton-Düsen angeordnet, deren Abstände mit zunehmender Entfernung von der Station größer und deren Austrittsguerschnitte kleiner werden, wobei die Austrittsgeschwindigkeiten zunehmen. Der Abstand von Düse zu Düse entspricht am Ende der Düsenreihe etwa der Länge des zylindrischen Rumpfteiles der kürzesten Zugeinheit (ca. 100 m bei drei Kabinen). Diese Düsen werden durch Druckgas-Energiespeicher mit Druckwasser gespeist, in denen Membranen den Wasservorrat vom Druckgas trennen. Die austretende Wassermenge ist jeweils durch die Verweildauer des beschleunigten Fahrzeuges während der Vorbeifahrt, die Austrittsgeschwindigkeit des Strahles und durch den Austrittsquerschnitt bestimmt, wobei angestrebt wird, daß die Beschleunigung des Fahrzeuges derart ansteigt und wieder abfällt, daß die Änderung der Beschleunigung sich nicht störend auswirkt. Die dem Fahrzeug von ca. 300 to Gewicht während des Startes aufgeprägte Energie beträgt bei 750 km/h Endgeschwindigkeit 1820 kWh. Die zur Wasserbeschleunigung durch die auf der Station angeordneten Druckgas-Speicher erforderliche Energie wird durch Pumpen aufgebracht, die das Wasser nach einem Start gefiltert wieder in die Druckwassertanks der Druckspeicher pressen. Die Reichweite beträgt etwa 350 km ohne Geschwindigkeitsverlust. Je geringer die Entferung bis zur nächsten Station ist, umso
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größer ist die Energie, die der fahrzeugeigene Bremsenergiespeicher, der im nächsten Absatz beschrieben wird, zur Fahrzeugbeschleunigung beiträgt. Bei Kurzstrecken wird der größere Teil der Startenergie durch diese fahrzeugeigenen Speicher aufgebracht.
Sollte die Fahrdistanz größer sein als 350 km, so wird dem Fahrzeug beim Durchfahren der Stationen neuer Impuls aufgeprägt. Hierbei kommt nur die Gruppe der Pelton-Düsen im letzten Bereich der Startanlage zum Einsatz. Um eine mittlere Fahrgeschwindigkeit von 750 km/h über eine weitere Strecke von 350 km aufrecht zu erhalten, ist es erforderlich, daß eine Nachbeschleunigung auf ca. 820 km/h vorgenommen wird.
Figur 4 zeigt schematisiert eine Starteinrichtung. Die Unterwand der Fahrröhre 40 ist von Rohrleitungen 41 durchsetzt. Diese Rohrleitungen enden in Düsen 42 und besitzen Schnellschluß-Ventile 43 . Sie kommunizieren mit Hochdruckbehältern 44, in denen Membranen 45 angeordnet sind, deren mittlerer Bereich 46 verstärkt ausgeführt ist. In den Raum 47 wird über Preßpumpen 48 durch den Filter 49 gefiltertes Wasser eingepreßt. Die Verlustwärme wird durch Wärmetauscher 50 an einen Startwasser-Kreislauf 51 abgegeben. Während der Vorbeifahrt des Fahrzeuges 52 werden die Schaufeln 11 vom Strahl 54 beaufschlagt. Die Schnellschlußventile 43 öffnen jeweils erst dann, wenn die überfahrt des Fahrzeugs unmittelbar bevorsteht.
Auf einer Länge von ca. 12 km vor den Stationen ist unterhalb der Bahnen eine Wasserrinne angeordnet. Im Rumpf jeder unabhängig abkuppelbaren Kabine befinden sich Tanks, von denen jeder in einen Druckgas- und einen Wasserraum unter Zwischenschaltung einer dünnen wärmedämmenden Membran ge-
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trennt ist. Zu jedem dieser Behälter führt je eine Leitung, die in einem in die Wasserrinne absenkbaren Fangdiffuser endet, durch den das Wasser in den Tank gefördert wird. Bei der Kompression des Druckgaspolsters wird Wärme frei. Diese Wärme wird einem ebenfalls im Tank untergebrachten Latentenergiespeicher zugeführt. Die Eintrittsquerschnitte der Bremsdiffusoren sind verschieden groß, um bei der Bremsung mit allen Fangdiffusoren die gleiche mittlere Verzögerung während der Auffüllzeit zu erzielen. Der Druck im Inneren des Tankes, der zuerst gefüllt wird, beträgt etwa 185 bar. In den folgenden Tanks wird ein Druck von etwa 150 bar bzw. 130 bar erreicht. Durch dieses Verfahren wird die Bremsenergie bei extrem hohem Wirkungsgrad für den nächsten Start und die gesamte Dauerfahrt gespeichert. Bremsdiffusoren mit unterschiedlichen Eintrittsquerschnitten sind schwenkbar so angeordnet, daß sie in die Wasserrinne der Bremsstrecke abgesenkt werden können. Dem Diffusor mit dem kleinsten Eintrittsquerschnitt ist der hohe Geschwindigkeitsbereich und dementsprechend der Hochdruckspeicher zugeordnet.
Figuren 5a und 5b zeigen die Behälter 12 in der Kabine 55, die jeweils mit einem Fangdiffusor 56 verbunden sind und über flexible Leitungen 57 mit der Eintrittsöffnung 58 kommunizieren. Zum Bremsen wird der Fangdiffusor 56 aus der gestrichelten Lage 56a in die voll gezeichnete Position verschwenkt, so daß die Eintrittsöffnung 58 in den Wasserspiegel 59 hineinragt. Nacheinander werden dann die Diffusoren mit ungleichen Eintrittsöffnungen 58 zum Einsatz gebracht. Sie füllen die Tanks 12, 12" usw. nacheinander auf.
Während des BremsVorganges sind die im Rumpf angeordneten
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Speicherbehälter unter Rückgewinn der Bremsenergie geladen worden. Während der Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist zur Überwindung des aerodynamischen und des Lager-Widerstandes ein Schub von 620 kp erforderlich. Beim maximalen Raketenvortriebs-Wirkungsgrad von \= 1 ist die Düsenaustritts-Geschwindigkeit gerade so groß wie die Fahrgeschwindigkeit entspricht ein Wasserdruck von 220 atü, also annähernd dem Druck des ersten Speicherbehälters. Bei der Entladung der Druckspeicher wird die während des Bremsvorganges im Latentenergiespeicher gespeicherte Wärmeenergie nahezu verlustlos wieder freigesetzt, so daß sowohl der Verdichtungs- als auch der ExpansionsVorgang fast isotherm abläuft. Dadurch liegt der Antriebs-Wirkungsgrad höher als bei jedem bekannten Antriebssystem der Gesamtwirkungsgrad des Antriebs für ein gleichschnelles Flugzeug beträgt vergleichsweise \ - 0,23. Ein weiterer Vorteil des Raketen-Antriebes ist der praktisch geräuschlose Betrieb. Nur während der Beschleunigungs- und Verzögerungsphase entstehen für den Fahrgast Geräusche. Im Heckkonus sind Strahldüsen mit unterschiedlichem Austrittsquerschnitt angeordnet. Die Düse mit dem größten Querschnitt trägt zur Beschleunigung während des Starte bei, die beiden weiteren Düsen erzeugen den Schub für die Dauerfahrt, wobei zuerst der Mitteldruckspeicher und dann erst durch die kleinste Düse der Hochdruckspeicher leergefahren werden.
Figur 6 zeigt den Heckkonus-Bereich mit dem Heckkonus 60 und den Leitungen 61, die zu Düsen 62 führen. Durch Ventile 63 werden zuerst die Tanks mit geringem Druck und später die Tanks mit höherem Druck während des Startvorganges entleert, wodurch ein Teil der Bremsenergie wiedergewonnen wird.
Figur 7 zeigt eine Haltestelle, über Weichen 70 werden die Züge 71 in eine Schleuse 72 geleitet, die vor dem öffnen der
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Schleusentür 73 evakuiert wird. Nach dem Fluten mit Luft wird das Schleusentor 74 geöffnet, und das Fahrzeug 71' tritt in den freien Luftraum ein, so daß Ein- und Aussteigen möglich ist. Danach tritt das Fahrzeug in die Schleuse 76, die nach Schließen des Schleusentores 75 evakuiert wird. Zur Verringerung der Evakuierleistung wird die innere Schleusenkontur dem Fahrzeug fast formschlüssig angepaßt.
Energiebilanz:
Nachstehend sollen diejenigen Teilprozesse einer Ausführungsform behandelt werden, die Verluste erzeugen:
a)Der elektrische Antrieb der Preßpumpen erfolgt mit einem Motorwirkungsgrad von \ = 91 % (bei Pumpeneinheiten von 500 kW) und einem Pumpenwirkungsgrad von U= 90 %.
b) Der Vortriebswirkungsgrad entspricht dem einer Pelton-Turbine, der Kraftmaschine mit dem höchsten bekannten Wirkungsgrad (bis zu 98 %). Da die Relativgeschwindigkeit nicht konstant ist, liegt der Wirkungsgrad im vorliegenden Antriebssystem um einige Prozent niedriger. Die Beschleunigung steigt während der ersten 20 Sekunden bis auf 0,5 g an und fällt zwischen der vierzigsten und sechzigsten Sekunde wieder auf Null ab. Während dieser Zeit steigt die Geschwindigkeit auf 750 km/h an, die durchfahrende Strecke beträgt ca. 7 km, die aufgeprägte Energie 1840 kWh. Der Bremsvorgang verläuft bei einer Verzögerung, die kleiner ist als 0,5 g, und benötigt deshalb eine Strecke von über 12 km.
c) Die aerodynamische Widerstandsleistung beträgt kW, die Reibungsleistung durch Scherspannung an den
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Lagern 740 kW. Die beim Start übertragene Energie reicht unter Berücksichtigung der oben aufgeführten Wirkungsgrade für eine Fahrstrecke von ca. 450 km, während die theoretische Reichweite, also bei vollständiger Rückgewinnung der Bremsenergie und reibungsfreier Betrachtung oberhalb von 600 km liegen würde.
d) Die Nutzbremsung erfolgt ebenfalls wieder in drei Stufen. Verluste entstehen durch den Diffusor-Wirkungsgrad und den Wellenwiderstand, der umso kleiner ist, je größer die Relativgeschwindigkeit im Auffangrohr ist.
e) Die Pumpleistung zur Versorgung der hydrostatischen Lager ist proportional dem Leckstrom..Dieser entspricht dem Leckstorn von Wellendichtungen. Vergleichende Analysen führen zu einer Pumpleistung von 240 kW.
Aus dieser Betrachtung ergibt sich die günstige energetische Gesamtbilanz, die bei einer Vergleichsentfernung von 450 km zu einem Energieverbrauch von nur 13,5 kWh pro Tonne Nutzlast führt. Dieser Energieverbrauch liegt weit unterhalb dem aller bekannten Verkehrsmittel.
Figur 8 zeigt Antriebsdüsen 101, 101', 101", die über Ventile 103, 103', 103" mit Drucktanks in Verbindung stehen. Im Inneren der Drucktanks befinden sich elastische Membranen 105,105', : 105".In den oberen Raum 107,107",107" des Druckbehälters 104,104',104" wird durch eine Preßpumpe 108,108',108" und ein Filter 100,100',10O" Wasser hineingefördert. Über das Rückschlagventil 115,115',115" kann ebenfalls Preßwasser in den Wasserraum 107, 107', 107" eingeführt werden, wodurch das Preßgas im Gasraum 116, 1161/ 116" komprimiert wird. Unterhalb des Fahrzeuges 112, 112', 112" sind Schaufeln 111, 11V, 111" angeordnet, die den
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Impuls des austretenden Wasserstrahles 114, 114', 114" auf das Fahrzeug 112, übertragen. Von diesen
Beschleunigungseinrichtungen sind in Abständen von weniger als der Länge des Fahrzeuges eine größere Zahl über die Länge der Beschleunigungsstrecke verteilt angeordnet, wobei die Drücke des Druckpolsters 116, 1161, 116" mit zunehmendem Abstand von der Station größer werden und die Austrittsöffnungen 102, 102', 102" in entsprechendem Maße kleiner werden. Während des Startes werden sämtliche Speicher nacheinander entladen, d.h. die Wasservorräte werden vollständig ausgetrieben.
Figur 9 zeigt ein Fahrzeug gemäß der Erfindung. Die Kabine 120 ist über Gleitschuhe 121/f~~3ie die Leitschienen 122 umfassen, leicht verschieblich aufgehängt. Die Kabine 120 weist nicht dargestellte Vortriebsmittel auf, z.B. Antriebsräder, die auf der Gleitschiene122 rollen oder auch Raktionsdüsen, die einen nach hinten gerichteten Wasserstrahl austreten lassen. Die Gleitschienen 122 sind über eine Vielzahl von hakenförmigen Rohren 124, 125 und aufgehängt. Diese hakenförmigen Rohre sind in der Betonröhre 127 befestigt und tragen nicht nur die Gleitschiene 122, die selbst als Rohr ausgebildet ist, sondern ihr Inneres kommuniziert auch .mit dem Inneren der Gleitschiene. Jeweils nach einer vorgegebenen Anzahl von hakenförmigen Rohren 124, 125 und 126 sind innerhalb der Gleitschiene Trennwände 128 angeordnet, die ein kommunizierendes System der Rohre 124 vom benachbarten System der Rohre 125 voneinander trennen. Die hakenförmigen Rohre 124 bis 126 kommunizieren mit einem sie verbindenden Sammelrohr 129 und dieses Sammelrohr wiederum führt über Verbindungsrohre 130 zur Starteinrichtung. In der Fahrkabine sind Schöpfrohre 131, 132 und 133 angeordnet, die über Hebel 134 vertikal verfahrbar sind und während der Schnellfahrt eingezogen werden können.
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Vor Erreichen der Station sind im unteren Bereich der Betonröhre 127 Rinnen angebracht, in denen sich Wasser befindet. Sobald das Fahrzeug 120 diese Wasserrine 135 erreicht hat, wird das Schöpfrohr 131 in die Wasseroberfläche eingetaucht. Hierdurch staut sich der Wasserdruck auf. Das aufgestaute Wasser wird über die Leitung 136, in der ein Rückschlagventil angeordnet ist, dem Gleitschuh 121' zugeführt. In diesem Gleitschuh sind nicht gezeigte Öffnungen, die durch ebenfalls nicht gezeigte Öffnungen in der Gleitschiene 122 einen Eintritt des Druckwassers in das Innere der hohlen Gleitschiene zulassen. Nach entsprechender Reduzierung der Fahrgeschwindigkeit werden die Schöpfrohre weiter nach unten bewegt, und es tritt dann auch das Schöpfrohr 132 unter die Wasseroberfläche. Die Schöpfrohre 131, 132 und 133 sind über die Leitung 136 unter Zwischenschaltung von Rückschlagventilen mit dem Gleitschuh 121' verbunden. Am Ende der Bremsphase wird schließlich auch noch das Schöpfrohr 133 1 unter die Wasseroberfläche herabbewegt, so daß über die Leitung 136 Wasser in das Innere des Gleitschuhes 121' eintreten kann.
Figur 10 zeigt eine vergrößerte Ausbildung der Schöpfrohre 131, 132 und 133 und der nach oben führenden schlauchförmigen Leitung 136. Die Schöpfrohre führen in Diffusoren 139, in denen die Wassergeschwindigkeit herabgesetzt und damit der Druck erhöht wird.
Figur 10 a zeigt einen Vertikal-Schnitt durch die Schienen. In diesem Schnitt ist zu sehen, daß Öffnungen 140 und 141 sich im inneren des Rohres befinden. Durch Ventilklappen 142 und 143 wird ein Rückströmen verhindert. Das Innere der rohrförmigen Schiene ist mit dem hohlen hakenförmigen Rohr 124 verbunden, so daß in das Innere des Rohres eindringendes Wasser durch dieses Rohr abgeleitet wird. Innerhalb des Rohres befinden sich Plastikschläuche 144, die '
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mit Druckgas gefüllt sind und bewirken, daß das durch die Öffnungen 140 und 141 eintretende Wasser nicht zu einer starken Beschleunigung des gesamten folgenden Rohrinhalts führt.
Durch den Siebboden 145 tritt alsdann das Druckwasser in das hakenförmige Rohr 124 ein. Nach einer gewissen Strecke von beispielsweise 100 oder auch 200 m ist eine Trennwand 146 innerhalb der rohrförmigen Schiene 122 eingebaut, die Abschnitte unterschiedlicher Drücke voneinander trennt. Im Bereich 147 sind die Kanäle 148 und 149 geschnitten dargestellt. Dieser Schnitt folgt der Schnittlinie A-A der Figur 10b.
In Figur 10 b ist der Gleitschuh 121 im Schnitt gezeigt. Dieser weist drei Kammern 150, 151 und 152 auf. Die Kammer 150 ist mit Druckwasser zum Anheben für lineare Bewegung. Das Lager 151 ist ebenfalls, wenn auch bei geringem Druck mit Wasser gefüllt und dient lediglich zur Stabilisierung und Führung, während die Kammer 152 mit dem Schlauch 136 kommuniziert, wobei dieser Schlauch ein Rückschlagventil aufweist, so daß kein Wasser durch die nicht unter Druck stehenden Schöpfrohre 131, 132 und 133 zurückströmen kann. Durch die Öffnungen 148 tritt nun das Wasser in das Innere der rohrförmigen Schiene 122 ein, strömt dann durch das federnde Rückschlagventil . 142. Damit kann das im Inneren befindliche Wasser 153 nicht wieder in die Kammer 152 zurückströmen. Das hakenförmige Rohr 124 ist als Rechteckrohr ausgebildet und mit der rohrförmigen Gleitschiene 122 verschweißt. Es ist am oberen Ende, wie in Figur 9 gezeigt, in der Betonröhre 127 befestigt und trägt einerseit die Gleitschiene 122 und leitet andererseits das Wasser aus dem Inneren der Schiene 122 gemäß dem Pfeil 154 in die in Figur 9 gezeigten Verbindungsleitungen
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130 ein, führt dort also zur Aufladung eines Druckwasserspeichers für den nächsten Start. Die Preßgas enthaltende Blase 144 ist im Querschnitt gezeigt.
Figur 11 zeigt einen waagerechten Längsschnitt durch Schiene und Antriebssystem. Die Gleitschiene 203 ist als Rohr aus magnetisch und elektrisch nicht leitendem Material aufgebaut. Da die Aufbringung der magnetischen Scherkräfte einen Luftspalt in der Größenordnung von einigen Zentimetern erfordert, kann als Material für die Gleitschiene beispielsweise glasfaserverstärkter Kunststoff verwendet werden. Im Inneren der Gleitschiene befindet sich ein Kolben 201, der an seinen Enden durch jeweils zwei senkrecht zueinander stehende Räder 211 geführt wird. Der magnetische Teil des Kolbens besteht aus Weicheisenleitstücken 212, die aus einzelnen Blechstreifen aufgebaut sein können. Auf diese Weise läßt sich ein in Umfangsrichtung abgestufter Querschnitt besonders leicht verwirklichen, um im gesamten Material eine gleichmäßige Flußdichte zu erreichen.
Die Dichtelemente 213 an beiden Seiten des Kolbens sind als diametral geteilte Klappen ausgeführt. Sie weisen während der Fahrt in zusammengeklapptem Zustand ebenso wie die Leitstücke 212 einen besonders niedrigen Luftwiderstand auf. Auf diese Weise wird die zusätzliche Luftreibung durch eine in der Gleitschiene vor dem Fahrzeug hergeschobene Luftsäule vermieden.
Die Gleitschiene 203 wird über einen großen Umfangsbereich von beispielsweise 300 bis 330° von einer Hülse 202 umfaßt. In dieser Hülse befinden sich Dauermagnete 221, die in Längsrichtung magnetisiert sind und über Eisen-Leitstücke 222 mit den Leitstücken 212 im Kolben zu einem magnetischen Kreis verbunden sind.
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Figur 12 zeigt einen senkrechten Querschnitt durch Schiene
202/
und Fahrzeug. Die Gleithülse/7 an der das Fahrzeug hängt, trägt an den Enden je ein hydrostatisches Lager 223.
Figur 13 zeigt einen Querschnitt durch Figur 12 an der Schnittlinie XIII-XIII. . Die Gleitschiene 203 wird durch ein Rechteckrohr 231 getragen und von einer zangenförmigen Hülse 202 umschlossen. Mit der Hülse 202 ist die Kabine 204 über zwei Gelenke 225 und 226 ih der Quer- bzw. Hochachse des Fahrzeuges verbunden. Das Lager 223 ist zur Gleitschiene 203 hin geöffnet, die in diesem Bereich einen verschleißfesten Laufstreifen 232, vorzugsweise aus hartverchromtem Edelstahl, trägt, Das Lager 223 trägt an den Seiten Dichtleisten 224, die durch Federn 227 an die Gleitfläche 232 gepreßt werden. Während der Fahrt bildet sich unter den Dichtleisten 224 ein hydrodynamischer Film, der oberhalb einer gewissen Mindestgeschwindigkeit zu einem berührungslosen Betrieb führt. In das Innere der Lager 223 wird durch die Leitung 241 aus dem Tank 242 Preßwasser befördert (siehe Figur 12). Das durch den Lagerspalt der Lager 223 an der Schiene hindurchtretende Wasser geht dem Kreislauf verloren und muß durch gelegentliches Nachfüllen des Tankes 242 ersetzt werden.
Figur 14 zeigt die pneumatische Steuerung an einer Haltestelle. Zur Einleitung der Bremsung des herannahenden Fahrzeuges wird der Schieber 206 in das Rohr 203 hineingefahren und die Spreizklappe 213 am vorderen Teil des Kolbens geschlossen. Die Luft vor den Kolben wird zunehmend komprimiert, damit verbunden ist ein stetiger Anstieg der Verzögerung. Der zwischen Fahrzeug und Haltestelle liegende Bereich des Gleitrohres 203 ist mit einem Preßluftbehälter 205 unter Zwischenschaltung eines Rückschlagventils 251 verbunden. Sobald der Druck der eingeschlossenen Luftsäule den Druck im Behälter übersteigt, öffnet das Rückschlag-
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ventil 251 und die komprimierte Luft wird in den Preßluftbehälter 205 gefördert. Der Preßluftspeicher wird also durch^ die Bremsenergie geladen. Während dieser Phase wird die Kabine mit konstanter Verzögerung abgebremst. Die genaue Halteposition erreicht das Fahrzeug durch auf den letzten Metern einsetzende mechanische Bremsen, die auch ein Wiederbeschleunigen entgegen der Fahrtrichtung verhindern. Auf dem Wege zum Preßluftspeicher gibt die komprimierte Luft ihre thermische Energie an einen Latentenergiespeicher ab. Dieser Speicher ist im Verhältnis zum Preßluftbehälter 205 klein und läßt sich daher leicht mit einer hochwertigen Wärmeisolation 254 versehen.
Zum Anfahren wird der Rohrschieber 206 geöffnet und der Schieber 206' geschlossen..Dann werden die mechanischen Bremsen gelöst und das Ventil 253 geöffnet. Die aus dem Preßluftbehälter 205 in das Rohr 203 strömende Luft entzieht dem Latentenergiespeicher wieder die gespeicherte thermische Energie. Ein Preßluftbehälter mit Latentenergiespeicher hat nur sehr geringe Verluste, wirkt also wie eine Feder. Diese Druckspeicher mit Latentenergiespeicher sind in ihrer Anwendung nicht auf den Hauptgegenstand der Erfindung beschränkt.Die unvermeidlichen Druckluftverluste werden durch einen Kompressor 255, der auch mehrere Stationen über Druckluftieitungen geringen Querschnittes 256 versorgen kann, ausgeglichen.
Die Figuren 15A bis 15D zeigen den Aufbau des Verschluß-Schiebers 206 in der Gleitschiene 203. Dieser Schieber darf nur die Breite des Rechteck-Tragprofils 231 einnehmen, und er muß im geöffneten Zustand den inneren Querschnitt der Gleitschiene voll freigeben. Er besteht beispielsweise aus einer kreisrunden Klappe 261, einer Kolbenstange 262 und den Preßluftzylindern 264 und 265. Zunächst wird die Klappe 261 durch den Preßluftzylinder 264 über das
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Zahnsegment 256 und die Zahnstange 267 um 90 gedreht. Erst dann wird die Klappe durch einen Schlitz im Boden der Gleitschiene mit Hilfe des Preßluftzylinders 265 zurückgezogen. Die Kolbenstange 262 weist als Querschnitt ein K-Profil auf, das sowohl eine Führung als auch eine Abdichtung im Deckel des Zylinders 265 ermöglicht. Dichtungen in Längsrichtung der Kolbenstange verhindern bei geschlossenem Schieber ein überströmen der Druckluft durch den Schlitz im Boden der Gleitschiene. Es ist auch möglich, den Verschluß-Schieber als diametral geteilte Klappe, ähnlich den Dichtelementen am Kolben des Fahrzeuges, auszubilden. Diese Klappe wird zusammengelegt in das Rohr eingefahren und dann aufgespreizt.
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Claims (12)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zum Antreiben von Schienenfahrzeugen mit außerhalb des Fahrzeuges angeordnetem Motor, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Motor dem Fahrzeug nur im Bereich der Haltestellen Impulse aufprägt, die dieses Fahrzeug bis zur nächstfolgenden Haltestelle bewegen.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verzögerung vor jeder Haltestelle die Bremsenergie zurückgewonnen wird, die in dem Fahrzeug und gegebenenfalls außerhalb des Fahrzeuges gespeichert wird.
  3. 3. Schienenfahrzeug mit außerhalb des Fahrzeuges angeordnetem Motor und einer Vorrichtung zur Übertragung der Antriebsimpulse auf das Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung nur über die zur Beschleunigung des Fahrzeuges erforderliche Strecke auf das Fahrzeug wirkt.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug in mit Wasserdampf gefüllten Röhren fährt.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug auf den Schienen gleitende Gleitschuhe aufweist, in denen sich Kammern befinden, die mit Preßwasser gefüllt sind.
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  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kammer wenigstens teilweise von Dichtelementen umgeben ist, die Rillen aufweisen, die in Fahrtrichtung gesehen divergierend verlaufen.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschiene als oberhalb des Fahrzeuges liegendes Rohr ausgebildet ist und daß mindestens zwei Kammern je Gleitschuh symmetrisch zum vertikalen Durchmesser des Rohres angeordnet sind.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiene als Rohr aus magnetisch durchlässigem Werkstoff ausgebildet ist, das einen magnetische Elemente aufweisenden Kolben führt, der zusammen mit einem außen das Rohr umgreifenden Magnetkörper der Aufhängung des Fahrzeugs eine Linear-Magnetkupplung bildet.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsmittel Preßluft ist, die den Kolben während der Beschleunigungsphase vorantreibt und während der Verzögerungsphase komprimiert wird.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Haltestelle eine Wasserrinne angeordnet ist, in die ein Fangdiffusor am Boden des Fahrzeuges taucht, der mit einem Hohlbehälter kommuniziert, in dem das aufgefangene Wasser ein Gaspolster komprimiert.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlbehälter innerhalb des Fahrzeuges angeordnet ist und über ein Ventil mit einer am Zugende angeordneten Strahldüse kommuniziert.
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  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlbehälter stationär angeordnet ist, daß innerhalb der rohrförmigen Schiene Rückschlagventile
    angeordnet sind und daß das durch den Bremsvorgang
    auf Druck gebrachte Wasser durch den Gleitschuh,
    die Rückschlagventile und das Innere der rohrförmigen
    Schiene hindurch mit dem als Druckgasbehälter ausgebildeten Hohlbehälter kommuniziert.
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