-
Vorrichtung zur Nutzbarmachung der Auspuffenergie von Kolbenkraftmaschinen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Ausbildung der Auslaßglieder an Kolbenkraftmaschinen
zur Nutzbarmachung der sonst verlorengehenden Auspuffenergie für Leistung von Nutzarbeiten.
Bekannt sind Versuche, durch Einschaltung einer Düse im Auslaßrohr die auspuffenden
Gase oder Dämpfe auf hohe Geschwindigkeit zu bringen und dadurch eine Nachsau aawirkung
im Auslaßrohr und bis in den Zylinder hinein zu erzeugen. Diese Versuche schlugen
jedoch fehl, indem keine merkliche Ausnutzung der Auspuffenergie sich ergab, und
zwar größtenteils wohl deshalb, weil entweder enge Auslaßleitungen zwischen Zylinder
und Düse eingeschaltet waren, die zu stark drosselnd wirken, oder aber weil ein
weiter Auspuffraum zwischengeschaltet war, der dann zwar die Abgase oder Abdämpfe
schnell aus dem Zylinder herausläßt, aber dabei ihren Energieinhalt durch Wirbelbildung
fast völlig vernichtet. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die auspuffende
Dampf- oder Gasmenge durch unmittelbar am Zylinder düsenförmig ausgebildete Auslässe
in geregelter Expansion auf unterhalb der Atmosphäre liegenden Druck expandiert
und dann durch glatt und eckenfrei an den weitesten Düsenquerschnitt anschließende
Rohre weitergleitet und durch einen als Verdichtungsdüse wirkenden Diffusor ausgeschoben
wird. Hierbei ist in den Auslaßdüsen ohne Schwierigkeit der zu rechtzeitigem Auslassen
des Zylinderinhaltes erforderliche Querschnitt unmittelbar am Zylinder anbringbar,
so daß rechtzeitige Zylinderentleerung mit geregelter Expansion vereinigt ist, und
die dadurch, gewonnene Strömungsenergie kann in den Weiterleitungsrohren nun voll
zur Leistung von Evakuierungsarbeit herangezogen wenden, die im Zylinder bei Dampfmaschinen
wie auch bei Verbrennungsmaschinen ein Diagramm nach Art eines Kondensations-Dampfmaschinendiagrammes
ergibt;
bei Drosselung des Auslasses zwecks Leistung von Nebenarbeiten, wie beispielsweise
Betrieb einer Heizung oder einer Rauchgasabsaugung, bedeutet dies j edenfalls noch
immer eine Verminderung des Gegendruckes gegenüber der sonst vorhandenen normalen
Anlage, so daß auch in diesen Fällen die Arbeitsleistung der Maschine durch die
Ausnutzung der Auspuffenergie vergrößert ist.
-
Wesentlich fördernd auf die Ausnutzungsfähigkeit der Auspuffenergie
wirkt es ferner ein, wenn die Auslaßrohre mehrerer Zylinder oder Zylinderseiten
einer oder mehrerer -Maschinen in ejektorartiger Anschmiegung so zusammengeführt
sind, daß infolge des zeitlichen Versatzes der verschiedenen Auspuffstöße diese
sich in dem Sammelrohre aneinanderreihen und einen vergleichmäßigten Gas- oder Dampfstrom
ergeben. Hierbei ist nicht nur Pendelungen und Schwingungen der Gassäule in dem
Rohre besonders gut vorgebeugt, sondern es unterstützt auch die Auspuffwelle eines
Zylinders die Leersaugwirkung an einem anderen angeschlossenen Zylinder. Insbesondere
für Lokomotiven ist die Erfindung zur Rauchgasabsaugung wichtig, da diese sonst
in der Regel einen erhöhten Gegendruck verursacht, der merklich Kraft verzehrt,
und zwar sind hierzu die unter Saugspannung stehenden Auslaßrohre mit der Rauchkammer
nach Art eines Bläsers oder eines sonstigen Ejektors in Verbindung gebracht.
-
Die Ausgestaltung .der Düsen ergibt sich am einfachsten bei Schlitzauslässen,
die vom Arbeitskolben gesteuert sind, indem dabei die Schlitze die Düsenform aufweisen.
Bei Schiebersteuerungen sind mit besonderem Vorteile die Kanäle in den Schiebern
oder in den Schieberspiegeln mit der erforderlichen Düsenform auszubilden, oder
insbesondere können die an den steuernden Kanten anschließenden Flächenteile so
ausgebildet sein, daß der engste Düsenteil zwischen der aktiven und der passiven
Steuerkante eingeschlossen ist und davor und dahinter ein regelrechter Düseneinlauf
und ein regelrechter Expansionsteil entstehen. Bei Ventilsteuerungen läßt sich in
günstiger Weise dasselbe erreichen, indem der Ventilsitz und der Ventilteller in
ihren an die Sitzfläche anschließenden Wandungsteilen so glatt übergehend ausgebildet
sind, daß die Sitzfläche zum engsten Querschnitt einer regelrechten ringförmigen
Düse wird. Auf diese Weise läßt sich bei sämtlichen Steuerungsarten eine hochwertige
Expansion erreichen.
-
Die Zeichnung zeigt mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es
sind Abb. i und 2 Seiten- und Vorderansicht einer Lokomotive mit um die Rauchkammer
herumgelegten Saugerohren, die auch die Rauchgase absaugen, Abb. 3 und 4 Seiten-
und Vorderansicht einer ähnlichen Lokomotive mit längs dem Kessel verlegten Saugerohren,
die auch die Rauchgase absaugen, Abb. 5 ein Einzelschnitt des Lokomotivzylinders
mit Kolbenschiebersteuerung, Abb. 6 und 7 Teilschnitte des Steuerschiebers mit Andeutung
verschiedener Stellungen, Abb. 8 und g Schnitte eines Auslaßventils für Ventilsteuerungen,
Abb. io, i i und 12 Schnitte und Ansicht einer Korlißhahnsteuerung, Abb. 13 Längsschnitt
eines Zylinderteiles mit Auslaßrostschieber.
-
Bei der Lokomotive (Abb. i und 2) nach der ersten Ausführungsform
besitzen die Zylinder i Kolbenschiebergehäuse 2, aus denen der Abdampf durch Krümmer
3, 4 zu Saugerohren 5, 6 strömt, die um die Rauchkammer in mehreren Windungen herumgelegt
sind; der Anfangsteil der Rohre 5, 6 oder die Krümmer 3, 4 führen von dem anfänglich
runden Querschnitt des Kolbenschiebers zu dem hier verwendeten, leicht unterbringbaren,
rechteckigen Querschnitt über. Die beiden Rohre 6 und ebenso die beiden Rohre 5
der vorderen und der hinteren Zylinderenden sind in ejektorartiger Aneinanderschmiegung
zu einem gemeinsamen Saugerohr vereinigt. Die Querschnitte der Saugerohre erweitern
sich in der dritten Rauchkammerwindung zu di-Eusorartigen Verbreiterungen 7, 8 und
laufen dann mit dem so vergrößerten Querschnitt fort, um schließlich mit je einer
diffusorartigen Enderweiterung g, io, die beide auch vereinigt sein können, in der
Atmosphäre zu münden. In dem verbreiterten Teil der Rohre 5, 6 hinter den Anfangsdiffusoren
7, 8 münden jederseits Löcher 11, 12, die eine freie Verbindung zwischen dIern Rohrinnern
und dem Rauchkammerinnern herstellten, und Ablenk platten 13 sind an allen diesen
Löchern so angebracht, daß sie inj ektorartig die Rauchgase dem Rohrinnern zuleiten.
An diesen Stellen der Saugerohre ist noch Unterdruck, da die ersten Diffusoren 7,
8 nur einen Teil der Geschwindigkeitsenergie verarbeiten und erst die End-diffusoren
g, io den Abdampf und die Rauchgase auf Außendruck bringen. Ein eigentlicher Schornstein
ist nicht vorhanden, sondern mit dem Bläser durch den letzten Teil der Saugerohre
5, 6 ersetzt; diese zwischen den Dampf diffusoren 7, 8 und den Gemischdiffusoren
g, io liegenden Rohrteile ergeben dabei eine genügende Verschlußwirkung durch die
in ihnen befindlichen Gemischwellen gegen das Rückschlagen der Außenluft in die
Rauchkammer ebenso wie die ersten Teile der Rohre 5, 6 gegen das Rückschlagen der
Außenluft
oder der Rauchgase in die Zylinder i. Auch bei Leerlauf wird das sonst unvermeidliche
Einsaugen von Rauchgasen in die Zylinder durch die Saugerohre erheblich vermindert.
Die Saugerohre werden im Betriebe der Lokomotive durch den Luftzug wirksam gekühlt,
der Dampf wird naß, und hierin werden die Funken gelöscht. Infolge des ruhigen Zuges
und der Anbringung der Rauchöffnungen oben in der Rauchkammer werden ohnehin wenig
glühende Kohlenteile mitgerissen.
-
Bei der zweiten Ausführungsform (Abb. 3 und 4.) sind die Rohre 5,
6 jedes Zylinders für sich am Kessel entlang nach hinten, dann über den Kessel hinweg
und; auf der anderen Seite wieder nach vorn zur Rauchkammer geführt. Dort münden
sie tangential in je einmal um die Rauchkammer herumgeführte Rohre 14, die am Ende
in Gemischdiffusoren 9, io auslaufen. Am Anfang der rundlaufenden Rohre 14, sind
wiederum Rauchgasansauge_ öffnungen i i, i2 und die Leitplatten 13 vorgesehen.
Die Enden der Rohre-5, 6 sind an der Einmündung in die rundlaufenlden Rohre 14 wieder
mit Diffusoren 7, 8 versehen.
-
Bei beiden Lokomotiven ist die Inneneinrichtung des Zylinders und
Schiebers nach Abb. 5, 6 und 7 durchgebildet. Im Schiebergehäuse 2 ist eine Schieberbüchse
15 mit den erforderlichen Öffnungen 16 eingezogen. Die Öffnungen 16 haben
die Form von Düsen, die mit Abrundungen an den Auslaßkanälen 17 beginnen und mit
der dem Druckgefälle entsprechenden Erweiterung im Schieberraume münden, und zwar
infolge Krümmung oder Schrägstellung ihrer Achse in einer die Weiterleitung günstig
gestaltenden Schräglage. Die für Ein- und Auslaß gemeinsam dienenden Zuleitungen
17 stehen mit dem Zylinderinnern in weit offener und demgemäß möglichst wenig
drosselnder Verbindung. Der Schieber selbst besteht aus einer Schieberstange 18
mit aufgesetzten Kolbenschieberhälften ig, und jede dieser Schieberhälften ig ist
auf der Schieberstange 18 mit kegelähnlich spitz zulaufenden und entsprechend einer
düsenartig, möglichst gleichmäßig erfolgenden Querschnittszunahme gewölbten Stirnwandungen
2o auf der Spindel gehalten; die steuernden Kanten 21 der Kolbenschieber ig sind
ebenso wie die Öffnungen 16 des Schieberspiegels 15 abgerundet, so daß sie einen
brauchbaren Düseneinlauf bilden. Die Strömungsquerschnitte ergeben sich hierbei
so, daß bei geöffneten Düsen 16 diese einen Teil der Umsetzung der Druckenergie
in Geschwindigkeitsenergie bewirken oder diese Umsetzung auch ganz durchzuführen.
Der Dampf fließt dann mit hoher Geschwindigkeit längs der sanft umlenkenden Stirnwandungen2o.
Bei teilweise geöffneten Düsen 16 (in Abb. 6 gestrichelt dargestellt) bildet die
abgerundete Schieberkante 21 zusammen mit der abgerundeten Gegenkante 22 der Öffnungen
16 wiederum eine neue, mit gut abgerundetem Einlauf versehene Düse, und längs der
Stirnwandungen erfolgt dann die weitere Expansion oder expansionslose Fortleitung
des abströmenden Arbeitsmittels.
-
Die Fortleitung des expandierten Arbeitsmittels aus dem Schiebergehäuse
2 erfolgt durch an dessen Stirnseite angeschlossene Krümmer 4, die in möglichst
sanfter Umleitung den Dampf- oder Gasstrom den eingangs erwähnten Saugerohren 5,
6 zuführen. Die Schieberstange 18 durchbricht in geradliniger Fortleitung den Krümmer
4. Ihre Führungs- und Dichtungsteile 23, 24 sind möglichst klein 'und mit einem
in der Gasströmungsrichtung fischförmigen oder tropfenförmigen Querschnitt ausgeführt,
um möglichst verlustfreie Strömung und möglichst viel Saugkraft in den Saugerohren
zu erhalten.
-
Bei anderen Maschinen kommt unter Umständen an Stelle der Saugerohre
eine Abdampf- oder Abgasturbine in Frage, die dann genau wie die Saugerohre anzuschließen
ist. Auch kann die Abdampf- oder Abgasturbine hinter den Saugerohren angeschlossen
werden.
-
Die Auslaßglieder bei Ventilmaschinen werden gemäß der Erfindung (nach
Abb. 8 und 9) so ausgebildet, daß das Auslaßventil 25 auf seiner Spindel26 mit kegelähnlich
zulaufenden Ausrundungen 27 verläuft und jenseits des Sitzes fortführende Wandungen
28 besitzt; hierdurch wird die Sitzfläche 29 nach beiden Kanten hin ohne merklichen
Knick fortgeführt, so daß sie die eine Begrenzung eines engsten Düsenquerschnitts
bilden kann. Das Ventilgehäuse 3o und die anschließenden Zylinderteile 31 besitzen
gleichfalls eine derartige, die Sitzfläche 29 ohne merklichen Knick fortsetzende
Ausgestaltung, d'aß diese Teile die zweite Begrenzung eines Düsenquerschnitts bilden
können. Es entsteht so beim Heben des Ventils eine ringförmige Düse, deren engster
Querschnitt zunächst an der Sitzfläche 29 liegt und dann je nach den Verhältnissen
mehr oder weniger an der ausgerundeten Tellerfläche 27 und, dem Sitzflächenteile
des Gehäuses 3o hinwandert, Die weitere Expansion der Abdämpfe oder Abgase erfolgt
in dem einen regelrechten erweiterten Düsenteil bildenden Gehäuse 30, und die Fortleitung
zu den Saugerohren oder sonstigen Ausnutzungsvorrichtungen geschieht durch einen
Krümmer 32, der die Gase oder Dämpfe allmählich umlenkt und seitlich fortleitet.
Die Ventilspindel 26 ist durch die Außenwandung des Krümmers 32 mit einer
möglichst
schlanken und nötigenfalls im Krümmungsinnern tropfenförmig ausgestalteten Führung
33 hindurchgeführt.
-
Bei Korlißsteuerung (Abb. io, i i und 12) sind bei dem Hahngehäuse
24 die steuernden Kanten abgerundet und die Fortleitungskanäle für möglichst gleichbleibende
Strömungsgeschwindigkeit geformt. Der Hahnkörper 35 enthält seine Kanäle in Form
von Düsen 36, die mit ihren abgerundeten Einläufen am Zylinderkanal 37 beginnen
und mit ihren Erweiterungen zu dem Anschlußstutzen 38 der Saugerohre führen, der
sie in gerader Verlängerung des Zylinderkanals 37 fortsetzt. Bei teilweise geöffnetem
Hahn bildet eine der Gehäusekanten mit der gegenüberliegenden Düsenkante einen neuen
Düseneinlauf, so daß auch dann wenigstens ein Teil der Expansion vollständig geregelt
verlaufen kann.
-
Bei Steuerungen mit Rostschiebern für den Auslaß (Abb. 13) durchströmt
der Dampf den Schieberkörper 39 geradlinig vom. Zylinderkanal 4o her zum Anschlußstutzen
41 der Saugerohre 5, 6, und die Bohrung des Schieberkörpers 39 ist als Düse 42 ausgeführt,
die ihren abgerundeten Einlauf. am gleichfalls entsprechend mit abgerundeten Kanten
versehenen Zylinderkanal 4o besitzt und am erweiterten Ende ebenfalls abgerundet
dem gleichfalls an den Kanten abgerundeten Weiterleitungsstutzen 41 gegenübersteht.
Die Verhältnisse sind hier ganz ähnlich wie bei der Korlißhahnsteuerung.
-
Bei Ventilsteuerungen ist eine Ausbildung der ''entil.e möglich, bei
der die gesamte Düse im Ventilgehäuse hinter dem Sitz untergebracht ist. Die Anordnung
des Ventilgehäuses 3o an den Zylinderteilen 31 sowie die des Krümmers 32 nebst der
Spindelführung 33 bleibt dabei unverändert dieselbe, wie bei dem obengenannten Ventil
(Abb.8 und 9) beschrieben. Der Ventilsitz 29 ist jedoch nicht durch Wandüngsteile
so fortgesetzt, daß er den engsten Querschnitt eines düsenförmigen Ventildurchgangs
bildet, sondern hinter dem Sitz innerhalb des Ventilgehäuses ist ein sich verengender
Einlauf 43 und ein daran anschließender erweiterter Düsenteil44 vorgesehen, und
an den letzten schließt sich der Krümmer 32 an. Der Ventilteller 25 wird durch die
Steuerung zweckmäßig so hoch gehoben, daß er einen erheblich größeren Spaltquerschnitt
freilegt, als es der engste Düsenquerschnitt ist, und dann findet erst in der eigentlichen
Düse eine Druckverminderung und Beschleunigung der Abgase 'oder Abdämpfe statt.