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Zabnradübersetzungsgetriebe für Turbinenanlagen. Bei Turbinenanlagen,
bei denen eine oder mehrere Dampfturbinen durch Zuhilfenahme von Zahnradgetrieben
eine gemeinsame Welle treiben, insbesondere in den Fällen, wo die Anlage zum Betrieb
von Schiffen oder Lokoinotiven bestimmt ist, ist es von größter Bedeutung, daß die
Turbinen so klein wie möglich werden, weil teils der begrenzte Raum die Größe der
Anlage bestimmt und teils das Gewicht desselben selbstverständlich so klein wie
möglich gehalten werden soll. Soll die Turbine selbst kleiner gemacht und gleichzeitig
deren Leistungsfähigkeit beibehalten werden, so ist es notwendig, deren Umlaufgeschwindigkeit
zu erhöhen. Es ist dies bisher nicht möglich gewesen, weil die Zahnräder des Getriebes
eine Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit über eine gewisse Grenze nicht gestatteten,
was vorn Nachteil für den Wirkungsgrad der Anlage war, weil ja eine schneller umlaufende
Turbine, wie bekannt, einen höheren Wirkungsgrad besitzt als eine Turbine mit kleinerer
Drehzahl, was u. a. auf folgende Ursachen zu:ückzuführen ist: Bei Turbinen für hohen
Dampfdruck ist es gebräuchlich, daß der erste Schaufelkranz der Turbine aus einem
sogenannten Curtisrad besteht, dessen Dampfeinlaß sich längs eines so großen Teiles
des Umfanges des Rades erstreckt, wie er für die Zufuhr der bestimmten Dampfmenge
erforderlich ist. Da Turbinen von gleichartiger Bauart für denselben Kraftbetrag
beinahe gleich große Dampfmenge erfordern, unabhängig von der Drehzahl der Turbinen,
wird die Ausstreckung eines derartigen Dampfeinlasses längs des Turbinenrades beinahe
konstant, und zwar unabhängig von dem Durchmesser des Turbinenrades. Dieser Durchmesser
ist aber von der Umlaufgeschwindigkeit der Turbine abhängig, weshalb der Einlaß
einer schneller umlaufenden Turbine sich offenbar längs eines größeren Teiles des
Schaufelkranzeis erstreckt als der eines langsamer umlaufenden Turbinenrades. Die
Schaufeln einer langsamer umlaufenden Turbine passieren somit den Einlaß während
eines kleineren Teiles einer Umdrehung als die Schaufeln eines schneller umlaufenden
Turbnenra'des. Hierdurch entstehen selbstverständlich größere Druckverluste bei
einem langsamer umlaufenden Turbinenrad, weil ja eine Schaufel in diesem Falle während
des größeren Teiles einer Umdrehung von dem Dampf des Einlasses nicht beaufschlagt
wird.
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Um die Anwendung schnellaufender Turbinen zu @ermöglichen, ist bisher
vorgeschlagen worden, dieselben an Zahnradgetriebe für
drei oder
mehrere die Geschwindigkeit der Turbine reduzierende Cbersetzungen zu kuppeln. Hierdurch
ist es möglich geworden, der Turbine eine verhältnismäßig hohe Drehzahl im Vergleich
mit der am langsamsten umlaufenden Welle des Zahnradgetriebes zu geben. Die Umlaufgeschwindigkeit
der Turbine ist aber dadurch begrenzt, daß die Zahnräder des Getriebes keine beliebige
Geschwindigkeit gestatten.
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Vorliegende Erfindung bezweckt, die Verwendung von Dampfturbinen mit
einer Umlaufgeschwindigkeit zu ermöglichen, welche bisher nicht verwendet werden
konnte, und besteht darin, daß ein oder mehrere der;Zahnräder des Getriebes in bekannter
'Weise mit vertieften Zahnlücken, gegebenenfalls auch mit achsial verlängerten Zähnen
versehen sind.
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Wie bekannt, ist es schwierig, wenn nicht unmöglich, die Zahnräder
völlig fehlerfrei zu fräsen, und ein sehr kleiner Fehler in der Zahnteilung kann
so große Beanspruchungen der Zähne verursachen, daß dieselben, brechen. Wird z.
B. angenommen, daß ein Fehler in der Zahnteilung des am langsamsten umlaufenden
Zahnrades des Getriebes entstanden und daß die Geschwindigkeit des am schnellsten
umlaufenden Zahnritzels 40- bis 5omal größer ist, als die Geschwindigkeit dieses
Zahnrades ist, so ist .einleuchtend, daß dieser Fehler sich im Zahnritzel 4o- bis
5oma1 vergrößert zu erkennen gibt und eine große Beanspruchung der Zähne dieses
Zahnritzels zur Folge hat. Diese Beanspruchung wiederholt sich natürlich öfter,
je schneller das Ritzel umläuft, was ein weiteres Hindernis für die Verwendung von
schnell umlaufenden Zahnritzeln gewesen ist, wenn diese Zahnritzel mit gewöhnlichen
Zähnen konstruiert gewesen sind, weil das Material dieser Zähne dabei infolge Ermüdung
leicht brechen kann. Wenn auch die zwischen dem am schnellsten umlaufenden Zahnritzel
und dem am langsamsten umlaufenden Zahnrad gelegenen Zahnritzel bzw. Zahnräder fehlerhaft
geschnitten sind, können sich natürlich die Fehler aneinanderreihen, und dadurch
kann eine so starke Beanspruchung des am schnellsten umlaufenden Zahnritzels
entstehen, daß ein in gewöhnlicher Weise gefrästes Zahnrad derselben nicht widerstehen
kann, !, sondern @es wird notwendig, die Abmessungen der Zahnritzel bzw. der Zahnräder
zu erhöhen. Dadurch, daß gemäß der Erfindung ein oder mehrere der Zahnritzel des
Getriebes in bekannter Weise mit vertieften Zahnlücken versehen werden, hat man,
die Gewähr, daßetwaige Fehler in der Zahnteilung keine besonderen Beanspruchungen
der Zähne verursachen, weil die infolge der Fehler entstehenden Verschiebungen durch
die Federung der Zahnhälse aufgenommen werden.
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Die Erfindung wird in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht.
Abb. i verdeutlicht die oben gegebene Auseinandersetzung, nach welcher der Wirkungsgrad
erhöht wird, je kleiner der Durchmesser des Turbinenrades ist. Abb.2 zeigt ein gemäß
der Erfindung ausgeführtes Zahnradgetriebe, welches zur Verwendung an einer Lokomotive
bestimmt ist. Abb. ; zeigt einen wagerechten Schnitt einer Turbinenanlage gemäß
der Erfindung, welche zur Verwendung in einem Schiffe bestimmt ist. Abb. ¢, 5, 6
und 7 zeigen Ausführungsformen eines gemäß der Erfindung ausgeführten Zahnritzels,
und zwar Abb. 4 eine Seitenansicht, Abb. 5 in achsialer Richtung gesehen, Abb. 6
eine Abänderung, und -zwar ebenfalls in achsialer Richtung gesehen, und Abb. 7 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform.
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In Abb. i bezeichnet der Kreis i die Größe des .ersten Curtisrades
einer verhältnismäßig langsam umlaufenden Turbine achsialer Type. Wird angenommen,
daß die für den Kraftbetrag der Turbine berechnete Dampfmenge einen der geschnittenen
Fläche z .entsprechenden Einlaß erfordert, werden nur die Schaufeln, welche unter
dem Bogen 2 durchgehen, der Einwirkung des Dampfstromes ausgesetzt, während die
übrigen Schaufeln leer arbeiten. Somit dient nur ,ein Teil der Schaufeln dazu, den
Stoß des Dampfes in .eine Drehbewegung der Turbine umzuwandeln. Eine für größere
Drehzahlen gebaute Turbine für denselben Kraftbetrag hat, wie oben schon erwähnt,
einen kleineren Durchmesser und wird in der Abbildung von dem Kreis 3 dargestellt.
Da die Größe des Dampfeinlasses für einen gewissen Kraftbetrag konstant und von
der Drehzahl der Turbine beinahe unabhängig ist, wird sich der Einlaß, welcher bei
dieser Turbine von der geschnittenen Fläche 4. dargestellt ist, längs eines größeren
Teiles des Umfanges des Turbinenrades erstrecken, wodurch ein größerer Teil der
Schaufeln der Einwirkung des Dampfstromies ausgesetzt wird. In einer Turbine mit
noch höherer ; Drehzahl und somit mit noch kleinerem Durchmesser, z. B. der in der
Abbildung von dem Kreis 5 dargestellten Turbine, ist man offenbar so weit gekommen,
daß der Dampfeinlaß, welcher nach wie vor von derselben Größe und in diesem Falle
von der geschnittenen Fläche 6 dargestellt ist, sich längs des ganzen Umfanges des
Turbinenrades erstreckt-In diesem Falle werden somit sämtliche Schaufeln immer der
Einwirkung des Dampf- ; Stromes ausgesetzt, so daß keine Schaufeln sozusagen leer
laufen. Offenbar wird der
Wirkungsgrad der letzteren Turbine höher
sein als irgendeiner der vorhergehenden Turbinen.
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Bei der in Abb.2 gezeigten Ausführungsform eines Zahnradgetriebes
gemäß der Erfindung bezeichnet 7 .eine Turbine, die durch Vermittlung des Zahnradgetriebes
die Lokomotive treibt. An jeder Seite der Turbine 7 ist auf der Welle 8 ein Zahnritzel
9 befestigt, welche mit Zahnrädern i o in Eingriff stehen und zusammen mit diesen
letzteren die erste Verminderung der Geschwindigkeit der Turbine bewirken. Die Welle
8 ist in bekannter Weise durch Membrankupplungen mit der Turbinenwelle verbunden,
wodurch eine gewisse Beweglichkeit der Zahnritzel 9 in bezug auf die Turbine ermöglicht
wird, wobei die Zahnritzelg in bekannter Weise zweckmäßig in einem Gehäuse gelagert
sind, um die die Zahnräder i o tragende Welle i i beweglich angeordnet ist. Auf
der Welle i i sind außer den Zahnrädern io Zahnritzel12 befestigt, welche mit auf
der Welle 13 befestigten Zahnrädern 14. in Eingriff stehen und zusammen mit diesen
letzteren die zweite Drehzahlverminderung herbeiführen. Auf derselben Welle 13 sind
auch Zahnritzel15 befestigt, welche mit Zahnrädern 16 in Eingriff stehen, die auf
einer Welle 17 befestigt sind, welche in bekannter Weise durch Membrankupplungen
i9, i 9 mit einer durch einen Htohlraum der Welle 17 gehenden Triebradwelle 18 verbunden
ist. Die dritte Drehzahlverminderung wird somit durch die Zahnritzel 15 und die
Zahnräder 16 erhalten. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Zahnritzel
15 im Vergleich mit den Zahnrädern 1 ¢ verhältnismäßig groß gehalten, aber selbstverständlich
kann eine noch größere 'Verminderung der Drehzahl dadurch herbeigeführt werden,
daß die Zahnritzel 15 kleiner gemacht werden. Die Membrankupplungen i9 an der Welle
17 können selbstverständlich gegn Kuppelstangen in der Weise ausgetauscht werden,
daß das erste Triebradpaar an der Seite des Zahnradgetriebes verlegt wird, wobei
die Welle 17 mit Kurbeln zu einer sogenannten Blindwelle ausgebildet wird.
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Gemäß der Erfindung sind nun alle :oder ein Teil der Zahnritzel9,
12 und 15 mit vertieften Zahnlücken, gegebenenfalls auch mit achsial verlängerten
Zähnen versehen. In gewissen Fällen ist es genügend, nur die ersten Zahnritzel9
in dieser Weise auszuführen, währendes in anderen Fällen empfehlenswert sein kann,
sämtliche Zahnritzel des Getriebes in der angegebenen Weise auszubilden. Durch die
Ausbildung der Zahnritzel des Zahnradgetriebes gemäß der Erfindung werden durch
die Federung der Zahnhälse die auf Grund etwaiger Fehlerheftigkeiten in der Zahnteilung
entstehenden Verschi: -bungen in dem Zahnradgetriebe vermieden.
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In Abb.3 wird, wie oben erwähnt, eine Dampfturbinenanlage gemäß der
Erfindung veranschaulicht, welche zur Verwendung in einem Schiffe bestimmt ist.
21, 22 und 23 bezeichnen drei Turbiinen, welche in bekannter Weise als Hochdruck-,
Zwischendruck- und Niederdruckturbinen angeordnet sind. Die Turbinen 21 und 22 sind
zusammen mit dem zugehörigen Zahnradgetriebe in vorher vorgeschlagener Weise in
der Form eines Hochdrucksystems im Rahmenwerk 2q. angeordnet, welches durch die
Abflußleitung 25 im Zuflußteil 26 der Niederdruckturbine 23 aufgehängt ist. Die
am langsamsten laufende Welle 27 des H@echdrucksystems trägt ein Zahnradpaar 28,
welches durch das Zahnritzelpaar 29 und das Zahnritzelpaar 3o von der Hochdruckturbine
2 i bzw. der Zwischendruckturbine 22 getrieben wird. Dadurch, daß in dieser Weise
die Geschwindigkeit der Turbinen 21 und 22 vermindert wird, kann der Welle 27 des
Hochdrucksystems und der Welle 31 der Niederdruckturbine 23 dieselbe Geschwindigkeit
gegeben werden. Die Welle 27 ist in bekannter Weise durch eine Membrankupplung mit
der hohlen Welle 32 verbunden, welche ein Zahnritzelpaar 33 trägt, das mit einem
unter demselben angeordneten Zahnräderpaar 3q. in Eingriff steht. Das Zahnräderpaar
3q. ist auf derselben Welle 35 wie :ein Zahnritzelpaar 36 befestigt, welches mit
einem auf der Schraubenwelle 37 befestigten Zahnräderpaar 38 zusammenwirkt. Die
Geschwindigkeit der Welle 27 wird somit durch Zuhilfenahme von drei nacheinander
angeordneten Übersetzungen zu der Geschwindigkeit der Schraubenwelle 37 vermindert,
und somit wird die Geschwindigkeit der Turbinen 21 und 22 viermal vermindert, :ehe
die Bewegung auf die Schraubenwelle übertragen worden ist. Die Welle 31 des Niederdrucksystems
23 ist durch eine Membrankupplung mit einer Welle 39 verbunden, welche sein Zahnritzelpaar
40 trägt, das mit einem Zahnräderpaar 4.1 in Eingriff steht, welches auf derselben
Welle 42 wie ein Zahnritzelpaar 43 angebracht ist, welches mit demselben Zahnräderpaar
38 in Eingriff steht, mit welchem die Zahnritzel 36 zusammenwirken. Die Schraubenwelle
37 wird somit von allen drei Turbinen aus getrieben.
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Rückwärtsgang innerhalb des Zahnradgetriebes wird in bekannter Weise
dadurch bewirkt, daß die Welle 32 exzentrisch gelagert und radial verschiebbar in
der Weise ist, daß ein Eingriff zwischen den Zahnrädern, 43 und 44 erhalten werden
kann. Die Welle 4.5, auf welcher das Zahnrad 44 befestigt ist, ist ebenfalls exzentrisch
gelagert, so daß sie
radial verschoben werden kann, damit die auf
der Welle 45 befestigten Zahnritzel 46 in Eingriff mit dem Zahnräderpaar 3 4 gebracht
werden können. In derselben Weise wird Rückwärtsgang bei dem Niederdrucksystem erhalten.
Die Umsteuerung von Vorwärtsgang zum Rückwärtsgang oder umgekehrt erfolgt in bekannter
Weise durch Zuhilfenahme von 61zylindern 6o und Hilfsmotoren 61. Ein oder mehrere
Zahnritzel des Getriebes, insbesondere die Zahnritzel29, 30, 33 und 4o und gegebenenfalls
auch die für Rückwärtsgang bestimmten Zahnräder, sind gemäß der Erfindung mit vertieften
Zahnlücken bzw. achsial verlängerten Zähnen ausgebildet, wodurch, wie oben angegeben,
etwaige Fehler in der Teilung der Zahnräder und der Zahnritzel durch die Federung
der Zähne unschädlich gemacht werden können.
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In Abb. 4, 5, 6 und 7 sind Ausführungsformen von gemäß der vorliegenden
Erfindung zu verwendenden Zahnritzeln gezeigt. In Abb.4 bezeichnet der geschnittene
Teil 47 das normale Aussehen des Zahnes, während der geschnittene Teil 48 einen
Teil des Zahnritzelwerkstückes bezeichnet, welcher wegzufräsen ist, damit die Zähne
vertiefte Lücken erhalten. Die normalen Zähne werden in dieser Weise sozusagen an
Hälsen 49 angebracht, welche durch Federung eine Verschiebung des Zahnes in Richtung
des Umfangs gestatten, was erforderlich ist, wenn Fehler innerhalb des Zahnradgetriebes
ungleichmäßigen Zahndruck hervorrufen. In der Abbildung wird gezeigt, wie ein solches
Zahnritzel mit einem Zahnrad 5ö mit normalen Zähnen in Eingriff steht.
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Abb. 5 zeigt dasselbe Zahnritzel und dasselbe Zahnrad, senkrecht zu
deren Wellen gesehen, wobei alle Zähne mit Ausnahme eines Zahnes 5 i des Zahnritzels
und eines Zahnes 52 des Zahnrades weggenommen gedacht sind. In der Abbildung werden
die Zahnräder spiralgeschnitten gezeigt, wobei der Eingriff in nur einem Punkt an
53 erfolgt. Ein Druck im Punkt 53 verursacht somit einen Druck auf den Zahn 5 i,
welcher sich nach den Seiten fortpflanzt, wodurch die Beanspruchung des Zahnes im
ganzen verhindert wird. Um eine gleichmäßige Federung an den äußeren Teilen des
Zahnes wie auch in dessen innerem Teil zu ermöglichen, sind die Zahnhälse 49 außerhalb
der eigentlichen Eingriffsfläche des Zahnes verlängert. Hierdurch kann somit .auch
ein Druck an der Kante der Eingriffsfläche sich nach beiden Seiten hin fortpflanzen,
was sonst nicht möglich wäre. Diese Verlängerung erwies sich als sehr vorteilhaft
in Fällen, wo die Zahnlücken vertieft sind, weil die Federung dabei in jedem Punkte
des Zahnes gleich wird.
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Abb. 6 zeigt, wie nicht nur die Zahnhälse, sondern auch der ganze
Zahn nach beiden Seiten hin verlängert ist.
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Abb. 7 zeigt eine andere Ausführungsform eines für die Verwendung
gemäß der Erfindung geeigneten Zahnrades 54, welches mit Zähmen mit vertieften Zahnlücken
versehen ist, wobei, in dem Teilungskreis gerechnet, die Breite der Zahnlücken wesentlich
größer ist als die Breite der Zahnköpfe.
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Gemäß der Erfindung kann auch ein Zahnrad verwendet werden, welches
mit Gruppen von zwei oder mehreren Zähnen versehen ist, welche Gruppen durch Zahnlücken
getrennt' sind, welche tiefer sind als diejenigen Zahnlücken, welche die Zähne der
einzelnen Gruppen trennen.
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Die Erfindung ist selbstverständlich von dem Aussehen im übrigen des
Zahnradgetriebes, bei welchem sie verwendet werden soll, unabhängig. Die Erfindung
ist auch von dem Triebmittel unabhängig, welches in der Turbine verwendet werden
soll.