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Schwungradanordnung für Wärmekraftmaschinen. Das Schwungrad von Wärmekraftmaschinen
wird bekanntlich um so schwerer, je kleiner der verlangte Ungleichförmigkeitsgrad
ist; dabei wird die große Gleichförmigkeit des Ganges und damit das entsprechend
schwere Schwungrad mit Rücksicht auf die angetriebene Maschine (Dynamomaschine u.
dgl.) gefordert, während für die antreibende Wärmekraftmaschine .zur Überwindung
des Kurbeltotpunktes und bei Brennkraftmaschinen zur Leistung der Ansaugeverdichtungsarbeit
usw. eine wesentlich geringere Schwungmasse mit größerem Ungleichförmigkeitsgrad
und besserem Ausnutzungsgrad ausreichend ist.
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Die Erfindung -geht von der Erwägung aus, daß für die Wärmekraftmaschine
ein hoher Ungleichförmigkeitsgrad _ nicht nur zulässig, sondern daß er sogar günstig
ist. Demnach wird die.Einrichtung -erfindungsgemäß so getroffen, daß das Schwungrad
in mindestens zwei Einzelschwungmassen zerlegt wird, die verschieden schwer gehalten
und untereinander nachgiebig gekuppelt sind und die so verteilt werden, daß die-leichtere
Schwungmasse an der Wärmekraftmaschine, die schwerere hingegen an der Arbeitsmaschine
sitzt. Der Teil des Gesamtschwungrades, der . die Wärmekraftmaschine beeinflußt,
kann dann so klein gehalten werden, daß deren Umlauf gerade noch gesichert wird,
während der Teil des Gesamtschwungrades für die Arbeitsmaschine ohne Rücksicht auf
die Verhältnisse der Wärmekraftmaschine so schwer gewählt werden kann, daß ein beliebig
hoher Gleichförmigkeitsgrad erreicht wird.
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Abb. r der Zeichnung zeigt eine Anlage, bei welcher die Antriebsmaschine
J (etwa eine Brennkraftmaschine) und die angetriebene Maschine H (etwa die Dynamomaschine)
mit je einem Schwungrad K-M versehen ist, welche durch einen aus Federn F (vgl.
Abb.2) gebildeten nachgiebigen Energiespeicher verbunden sind. Das Schwungrad K
der Antriebsmaschine J ist dabei wesentlich kleiner bzw. leichter als das Schwungrad
M der angetriebenen Maschine H gehalten; dabei ergibt sich folgende Wirkung; In
Abb.3 ist das vereinfachte Diagramm (Pressung p, abhängig vom Kolbenweg s) des Kreisprozesses
einer Explosionsmaschine herausgezeichnet, während der Teil I durchlaufen wird,
wird die Schwungmasse beschleunigt; die Beschleunigung erfolgt aber zur Zeit der
höchsten Temperaturen des Gasgemisches, wo bekanntlich ein großer Teil der Verbrennungsleistung
an die Zylinderwand oder an das Kühlwasser verlorengeht. In der Maschine
besteht
das Bestreben, den Teil I des Diagramms unter der Wirkung des erzeugten hohen Druckes
besonders schnell zu durchlaufen, also die Verluste von sich aus zu verringern.
Diesem Bestreben wirkt aber die bisher gebräuchliche Schwungradanordnung durch die
Vergleichmäßigung des Gesamtumlaufes entgegen. Durch das kleine oder leichte Schwungrad
wird aber der Antriebsmaschine die Freiheit gegeben, den Teil I entsprechend schneller
als den Teil II des Diagramms zu durchlaufen. Dadurch wird die Zeit, in welcher
das Kühlwasser den hohen Temperaturen ausgesetzt ist, abgekürzt. Die Energieverluste
werden verkleinert, die Nutzarbeit wird größer. Der Kolbendruck p wird nicht mehr
nach der Linie I, sondern etwa nach der höher liegenden gestrichelten Linie Ia verlaufen,
so daß die schraffierte Diagrammfläche als Gewinn auftritt. Bei Mehrzylindermaschinen
überlappen sich die Vorgänge, die Wirkungsgradverbesserung ist aber auch hier in
erheblichem Maße erzielbar, insbesondere wenn man bei der Konstruktion z. B. bei
der Wahl der Zylinderzahl auf die erläuterten Verhältnisse Rücksicht nimmt. Betriebsmäßig
äußern sie sich, abgesehen von der Flüssigkeit des Ganges, wie eine Verbesserung
der Kühlung.
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Wird so dem Wärmekreisprozeß der antreibenden Maschine eine größere
zeitliche Freiheit gegeben, so ist damit zugleich für- -die Wirkungsweise der angetriebenen
Dynamomaschine o. dgl. eine Verbesserung geschaffen, weil die Masse des auf sie
einwirkenden Schwungrades nunmehr unabhängig von den Betriebsverhältnissen der Antriebsmaschine
und nur so gewählt werden kann, wie es mit Rücksicht auf die Wirkungsweise der angetriebenen
Maschine zweckmäßig ist.
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Es tritt noch ein weiterer Gesichtspunkt hinzu. Die Motorwelle mit
ihren Schwungmassen ist unter der Wirkung der im Gebiet I herrschenden Höhendrucke
zwar der höchsten »Beschleunigung« unterworfen, infolgedessen tritt aber die höchste
»Geschwindigkeit« erst in der zweiten Hälfte dieser Periode auf. Das Maximum der
Geschwindigkeit läßt sich nun nach einem früheren Zeitpunkt dadurch verschieben,
daß die bei den Geschwindigkeitsschwankungen pulsierende Energie aus den Schwungmassen
in den die beiden geteilten Schwungmassen verbindenden Energiespeicher nach Abb.
t und 2, also in die FedernP, hinein verlegt wird. Sind i die Federn P außerordentlich
nachgiebig, se nehmen sie an den Energiepulsationen nahezu gar keinen Anteil. Macht
man die Federn F aber steifer und steifer, so wird schließlich ein Zustand erreicht,
bei welchem die von den Schwungmassen und dem Energiespeicher P aufgenommenen Energien
einander gleich sind; dann besteht Resonanz des aus den Federn und. den Schwungmassen
gebildeten Schwingungssystems. Seine Eigenfrequenz ist dann gleich der Frequenz
der Kraftschwankungen, die Höhe der Eigenfrequenz wird natürlich nicht bloß von
den mit der Motorachse verbundenen Schwungmomenten beeinflußt, sondern mehr oder
weniger von allen Schwungmomenten im Wellenzuge.
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Werden die Federn P noch weiter versteift, so überschreitet die Eigenfrequenz
des Schwingungssystems den Resonanzwert, und die Schwingung der Schwungmassen tritt
mehr und mehr zurück. Die Stöße werden dann überwiegend von den Federn absorbiert.
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Abb. q. verdeutlicht die Änderung der Geschwindigkeitscharakteristik.
I ist die Kurve des Drehmomentes, II die Kurve der Geschwindigkeit, wenn noch die
Massenwirkung überwiegt, III die Kurve der Geschwindigkeit, wenn der elastische
Energiespeicher vorherrscht. Durch den Phasenwechsel bei den Geschwindigkeitskurven
ist also erreichbar, daß die höchste Geschwindigkeit mit den höchsten Drücken und
damit den höchsten Temperaturen-- zusammenfällt. Bei Verbrennungsmotoren tritt noch
der- Umstand hinzu, däß die Zeit der größten Kompression und bei Vorzündung die
Zeit der größten Druckentwicklung schnell durchlaufen wird.
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Durch möglichste Kleinhaltung des Momentes der Schwungmasse K auf
der Antriebsseite wird die Eigenfrequenz des Schwingungssystems gesteigert und die
Erfüllung der Grundbedingung, die Erzielung eines hohen Motorungleichförmigkeitsgrades
erleichtert. - Das Schwungrad K kann praktisch auf einen Wellenflansch zusammenschrumpfen.