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Großgasmaschinenzylinder, der durch Zusammenschweißung von Einzelteilen
aus gut schweißbarem Stoff hergestellt ist. Die Vergrößerung der Leistung der Maschinen
im Großgasmaschinenbau sowie die thermische Weiterentwicklung - insbesondere die
Einführung der Heißkühlung - bringen erhbhte Schwierigkeiten beim Bau der Maschinen
mit sich, weil auf die Haltbarkeit der mit den heißen Gasen in Verbindung kommenden
Wandungsteile besondere Rücksichten zu nehmen sind. Namentlich sind es Ecken und
Krümmungen an diesen Konstruktionsteilen,
die Wärmestauungen bedingen;
mit der Zeit entstehen Risse, die die Betriebszuverlässigkeit vermindern.
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Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen und die Lebensdauer dieser
Stücke zu erhöhen, ist die Wahl eines anderen Baustoffes als Gußeisen erwünscht.
Jedoch hat es die Technik bis jetzt nicht gewagt, in gut schweißbarem Material -
wie vor allem Schmiedeeisen - derartige große komplizierte Teile anzufertigen, da
neben den immer noch bestehenden Schwierigkeiten hinsichtlich der Zuverlässigkeit
der Schweißung auch gut schweißbare Gebilde zu entwickeln sind; dabei sollen möglichst
die bewährten, durch die gegossenen Teile gegebenen Formen beibehalten und die Wärmebelastung
beim Betrieb sowie die auftretenden Kräftebeanspruchungen berücksichtigt werden.
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.Es ist zwar schon bei Zylinderköpfen von ausgesprochenen Kleinmotoren
vorgeschlagen worden, zur Erleichterung des Schweißens und zum Verhüten des Auftretens
von Spannungen im Zylinderboden durch das Schweißen die Schweißnaht von Ventilstutzen
nach außen zu verlegen.
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Ferner ist auch schon vorgeschlagen worden, bei aus Stahlrohr gezogenen
Kleinmotoren aus dem halbkugelförmigen Zylinderkopf Rohrstutzen herauszubördeln,
in die dann nachträglich Ventilstutzenstücke eingeschraubt wer den.
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Man hat sich nun bisher gescheut, ähnliche Herstellungsweisen auch
für die Zylinder größerer Abmessungen, beispielsweise von Großgasmaschinen, anzuwenden,
weil man hier eine Reihe von Schwierigkeiten bei der Herstellung dieser Stutzen
fürchtete und außerdem Bedenken gegen die Betriebsbrauchbarkeit hatte.
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Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß man den Gedanken,
Gasmaschinenzylinder vollständig aus zusammengesetzten Einzelteilen herzustellen,
und zwar unter möglichst völliger Ausscheidung komplizierter Gußstücke, verwirklichen
kann, wenn man zunächst solche Zylinderformen wählt, bei denen die Ventile in Stutzen
oder Zwiebeln der Zylinderwandungen untergebracht sind und hier Teile des Verbrennungsraumes
bilden. Es ist dann möglich, nach der Erfindung an den gefährdeten Ventildurchbruchstellen
die innere Zylinderwand derartig zu Stutzen umzubördeln, daß die anschließenden
Schweißstellen aus den im Betriebe hoch wäriiiebeanspruchten Stellen heraus in die
rohrförmigen Stutzen verlegt sind. Durch diese Erfindungsmaßnahme wird erreicht,
daß an den im Betriebe sehr stark gefährdeten Zylinderdurchbruchstellen besondere
Veränderungen durch Wärme- oder Kräfte-Beanspruchungen sich nicht zeigen können,
und daß gleichzeitig auch die anschließen-('en Schweißstellen in den rohrförmigen
Ventilstutzen an Stellen geringerer Wärmebelastung liegen, also ebenfalls in jeder
Beziehung geschont werden, so daß etwaige gefährliche Beanspruchungen der Schweißstellen
nicht sobald auftreten können. Ferner wird auch die Länge des Schweißumfangs auf
ein geringeres Maß herabgesetzt, als wenn man -- wie auch schon vorgeschlagen worden
ist - Ecken oder ganze Stutzen in die Zylinderlauflläche oder den inneren Zylindermantel
selbst einschweißen wollte.
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AuPerdem wird natürlich auch der früher bereits erkannte Vorteil erzielt,
daß die Zylinderwandungen durch die zum Schweißen erforderliche Hitze nicht unnötig
betroffen und durch derartige örtliche Erhitzungen sich verziehen können. Schließlich
wird noch gegenüber sonstigen in ähnlicher Richtung laufenden Vorschlägen der Vorteil
erreicht, daß der Innenmantel in der Flucht der eigentlichen Zylinderflächen überall
aus dem gleichen Stoff besteht, der obendrein an allen Stellen die gleiche Behandlung
erfahren hat und vor allem nicht an einzelnen Stellen des Umfangs noch einer besonderen
Erhitzung durch die Schweißflammen ausgesetzt gewesen ist. Diese Tatsache ist für
die Haltbarkeit des Zylinders von wesentlicher Bedeutung.
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Ferner sei darauf aufmerksam gemacht, daß bekanntlich die Übergangskante
aus der Zylinderfläche in die Taschen- oder Zwiebelwandungen durch die an ihnen
vorbeistreichenden heißen Verbrennungsgase regelmäßig besonders hohen Wärmebeanspruchungen
und fortwährend wechselnden Dehnungsbeanspruchungen durch diesen Wärmewechsel ausgesetzt
sind. Man hat daher bei den verschiedensten Bauarten von Zylindern schon seit langem
auf alle mögliche Weise versucht, gerade diese Kanten besonders widerstandsfähig
zu machen, ohne aber eine. befriedigende Lösung gefunden zu haben. Man kann sogar
behaupten, daß die in dieser Richtung sich bewegenden Erfindungen und Vorschläge
ein besonderes Kapitel des Großgasmaschinenbaues bilden. Im vorliegenden Falle handelt
es sich um eine völlig neue Art der Lösung auch dieses Problems, indem erstmalig
vorgeschlagen wird, auch bei Großgasmaschinen, die mit die Zylinderwandungen durchbrechenden
Taschen oder Zwiebeln ausgestattet sind, die fraglichen Kanten durch Umbö.rdeln
aus dem vollen Material der Zylinderwandung selbst herauszuarbeiten (umzubördeln),
um in erster Linie die Schweißstellen aus dem Bereich der im Betrieb meistgefährdeten
Stellen herauszulegen. Es wird also ein zu
anderen Zwecken bekanntes
Mittel zum geschickten und eigenartigen Lösen einer neuen Aufgabe herangezogen,
wobei außer der bisherigen Wirkung auch noch weitere fortschrittliche Wirkungen
erreicht werden. Daß dieser Weg neu und eigenartig ist und auch keineswegs nahegelegen
hat, beweist am besten der sogar von sachverständiger Seite ernsthaft gemachte Vorschlag,
die hier in Betracht kommenden gefährdeten Ecken als besondere Stücke einzuschweißen
und hierbei die Schweißnaht sogar in die Zylinderlauffläche selbst oder gar in die
gefährdeten t@bergangskanten selbst zu legen. Es handelt sich also um Vorschläge,
die dem Erfindungsgedanken genau entgegengesetzt sind.
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Als weiterer Erfindungsgedanke kommt in Betracht, daß die aus dem
Werkstoff der inneren Zylinderwand gebildeten Stutzen und die verhältnismäßig starkwandig
auszubildenden Endflanschen so weit verjüngt werden, daß die Verschweißung mit den
anschließenden dünnwandigen Zylinderteilen erleichtert wird.
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Vorteilhaft werden die zum Abschluß der Ventildurchbruchsöifnungen
bestimmten Hohlkörper mit einem Teil der angrenzenden Zylinderaußenmanteloberfläche
als besondere Hohlkörper mit leicht schweißbaren Rändern hergestellt und derart
ausgebildet, daß sie nach Zusammenbau des Außenmantels mit dem Innenzylinder durch
öffnungen des Zylinderaußenmantels hindurch in die Schweihstellung geschoben werden
können.
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Zur Erläuterung ist in der Abb. i ein einteiliger gegossener sogenannter
Zwiebelzylinder bisher üblicher Bauart dargestellt, in Abb.2 ein zwiebelloser Zylinder
bekannter Art. Beide Zylinder können in bekannter Weise z. B. in der Mitte quer
zur Längsachse unterteilt und durch Flanschen und Schrauben miteinander verbunden
sein.
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In den Abb.3 und 4. sind schmiedeeiserne Zylinder dargestellt, die
gemäß der vorliegenden Erfindung gebaut sind und den Gußzylindern der Abb. i bzw.
2 entsprechen.
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Der neue geschweißte Zylinder besteht zunächst aus dem eigentlichen
Tragzylinder a für die Aufnahme der durch den Arbeitsprozeß hervorgerufenen Kräfte.
Aus der Wandung dieses rohrförmigen - geteilten oder ungeteilten -, Flanschen an
beiden Enden besitzenden Stückes wird an den Stellen c für die Ventildurchbrüche
der Werkstoff derart herausgebördelt, daß die sonst ernstlich gefährdeten Krümmungsstellen
aus dem Stoffe des eigentlichen Tragzylinders bestehen. Um diesen eigentlichen inneren
Tragzylinder wird ein zweiter schmiedeeiserner Zylinder d geschoben, der den Wassermantel
bildet und gleichfalls entweder geteilt oder ungeteih hergestellt sein kann. Er
wird mit dem eigentlichen Tragzylinder an den Enden am besten ebenfalls durch Schweißung
verbunden. Durch diese beiden rohrförmigen Stücke wird ein geschlossener doppelwandiger
Hohlkörper gebildet, der nur im Außen- und Innenmantel Üffnungen aufweist.
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An Stelle der z. B. zwiebelartigen Ausbuchtungen der Zylinder für
die Ventildurchbrüche werden nun durch den Außenmantel des doppelwandigen Hohlkörpers
Schlußstücke eingesetzt, die aus Schmiedeeisen oder einem gu: schweißbaren bzw.
schmiedbaren Stahlguß bestehen und die Wandungen der Ventildurchbruchstellen bilden.
Die Wahl des Gußverfahrens zur Herstellung empfiehlt sich insbesondere dann, wenn
die Form dieser Schlußstücke kein Regelkörper ist und sie somit nur schwer durch
mechanische Bearbeitung sich herstellen lassen. Die Enden der Schlußstücke werden
nun mit den Rändern der inneren und äußeren Ventildurchbrechungen der Zylinderteile
metallisch verbunden, und zwar, wie bereits erwähnt, zweckmäßig durch Schweißung.
Der vollständige Zylinder ist somit im wesentlichen aus einem inneren Tragzylinder,
einem äußeren Mantel und vier Schlußstücken gebildet.
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An den Zündstellen, den kleineren Durchbruchstellen für Indiziervorrichtungen
und anderen nicht oder wenig von heißen Gasen durchflossenen Durchbruchstellen können
kleinere Stutzen angeschweißt, eingeschweißt oder eingeschraubt werden, wie es z.
B. in den Abb. 3 und ,1 veranschaulicht ist.
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Der innere Tragzylinder kann, namentlich wenn er aus mehreren Stücken
hergestellt ist, in an sich bekannter `'eise ein Futter e aus einem Stoffe mit guter
Gleitfähigkeit für den Lauf der Kolbenringe besitzen. Um dem äußeren Mantel eine
größere Dehnungsmöglichkeit zu geben und die Schweißstellen zu entlasten, können
in dem schmiedeeisernen Außenmantel elastische Wellen vorgesehen werden. Tragflächen
für Steuerwellenlager usw. sind zweckmäßig nicht am Außenmantel zu befestigen.
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Der besondere Vorteil derartig zusammengebauter Großgasmaschinenzylinder
besteht in der durch die Zähigkeit des Materials bedingten größeren Betriebszuverlässigkeit.
Sollten bei sehr langer Betriebsdauer sich schließlich doch an der einen oder anderen
Stelle aus irgendeiner Ursache Risse bilden, so können diese bei der leichten Schweißbarkeit
der Baustoffe leicht wieder beseitigt werden, und das Eindringen der Mantelkühlflüssigkeit
in den Verbrennungsraum wird verhütet. Eine weitere wichtige fortschrittliche Neuwirkung
wird dadurch zustande gebracht, daß das Gewicht des fertigen Zylinders geringer
ist als das
gegossener Zylinder, da bei den miteinander zu verschweißenden
Grundkörpern gleichmäßige Wandstärken sicher eingehalten werden können. Ebenso vorteilhaft
ist es, daß durch die Ermöglichung der Verwendung von Schmiedeeisen oder von schmiedbarem
Stahlguß z. B. die Sicherheit gegeben ist, daß die Wandungen lunkerfrei sind, so
daß einseitige örtliche Erhitzungen vermieden werden, die den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine
ernstlich gefährden können. Da mit Rücksicht auf die erhöhte Festigkeit des Baustoffes
die Wandstärken gegenüber gußeisernen Zylindern wesentlich verringert werden können,
treten geringere Wärmespannungen in den Wandungsschichten auf, wodurch die Bruchgefahr
verringert wird. Ferner können wegen der geringen Stärke der Wandungen die Zylinder
auch höheren Wärmebelastungen ausgesetzt werden, ohne daß übergroße Erhitzungen
eintreten, die vorzeitige Entzündungen des Gemisches hervorrufen könnten. Die neue
Zylinderbauart eignet sich somit ganz besonders für die Zylinder von Hochleistungsmaschinen,
die mit wesentlich höheren mittleren indizierten Brücken belastet sind als Normalmaschinen.
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Die Bauart nach Abb. q. wird besonders günstig, wenn namentlich im
eigentlichen Verbrennungsraum jede Schweißstelle vermieden ist. Die Dichtungsstellen
für die den Verbrennungsraum abschließenden Ventileinsätze liegen hier in dem aus
dem innefen Tragzylinder herausgebördelten Material. Die Schweißstelle ist somit
immer dem Zutritt der hochgespannten Verbrennungsgase bei allen Arbeitsvorgängen
entzogen.
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Bei Verdampfungskühlung mit Wasser bzw. Flüssigkeiten mit niederem
Siedepunkt als Kühlflüssigkeit in den gegossenen Zylindern sind zur Zeit nach dem
Dampfkesselgesetz nur niedere Drücke im Mantelraum zulässig. Die neue Zylinderbauart
führt jedoch zu Zylinderausbildungen, bei denen die Beanspruchung des Kühlflüssigkeitsraumes
mit höheren Dampfdrücken auch bei gleichartigen Kühlflüssigkeiten technisch möglich
und gefahrlos ist. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn der Gaszylinder als
allseitig geschlossener, spannungsfrei geschweißter Körper hergestellt wird, der
lediglich kleinere Offnungen zur Reinigung im Außenmantel besitzt. Da die Längsbeanspruchungen
hauptsächlich durch den inneren Tragzylinder aufgenommen werden, kann sich die Stärke
des Außenmantels im wesentlichen nach den voraussichtlich zur Verwendung gelangenden
Dampfdrücken richten.
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Die neue Zylinderbauart hat die gleiche Bedeutung sowohl für Verbrennungskraftmaschinen,
die nach dem Viertaktverfahren, als auch für solche, die nach dem Zweitaktverfahren
arbeiten, und findet dort sinngemäße Verwendung entsprechend dem Arbeitsprozeß und
in Anlehnung an die bekannten Bauarten. In den Abb.3 und q. ist die Anwendung des
Erfindungsgedankens beispielsweise für doppeltwirkende Viertaktgaskraftmasehinen
veranschaulicht.