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Wasserkraftmaschine mit sternförmig angeordneten Zylindern und Zembrankolben
Die vorliegende Erfindung betrifft eine UVasserkraftmaschine, bei welcher der Druck
einer Wassersäule mittels in Zylindern eingespannter, elastisch federnder, biegsamer
Meinbrankolben in Arbeit um--ewandelt wird. Man hat bisher derartige Motoren in
der auch bei Kolbenpumpen und Wasserturbinen allgemein üblichen Weise dadurch geregelt,
daß man den Durchflußquexschnitt für das Wasser gegenüber der normalen üffnung verengte
oder erweiterte. Diese Regelungsart hat, wie namentlich aus dem Turbinenbau bekannt
ist, den Nachteil, daß einerseits durch die unvollständige Füllung oder Beaufschlagung,
anderseits durch Strömungs- und Reibungsverluste bei verengtem Querschnitt der Wirkungsgrad
der Kraftmaschine bedeutend verschlechtert wird.
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Die Erfindung besteht nun darin, daß die Regelung der Kolbenkraft.naschin@e
nicht durch Veränderung des Querschnitts für den Wasserzuflvß, sondern im Gegenteil
bei konstantem Wasserzu$ußquerschnitt durch Veränderung. des Kolbenhubes erfolgt.
Eine solche Hubregelung bewirkt im Gegensatz zur Querschnittsregelung selbst bei
stärkster über-oder Unterbelastung keine nennenswerte Verschlechterung des hydraulischen
Wirkungsgrades. Das Wesentlichste der vorliegenden Erfindung ist darin zu erblicken,
daß die Veränderung des Kolbenhubes mit Hilfe der elastischen Durchbiebgung der
Kurbelwelle unter dem Einfluß der Fliehkraftwirkung exzentrisch angeordneter Schwungmassen
bewirkt wird.
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Die Verwendung der elastischen Wellenverbiegung zum Zweck der Hubregelung
gründet sich auf folgende physikalische Grundlagen. Bei der elastischen Durchbiegung
y einer Welle unter denn Einfiuß der Fliehkraft einer um den Betrage exzentrisch
angebrachten Masse m ist diese Fliehkraft von der Größe (z) P - na (y -I-
e) Wz, worin w die Winkelgeschwindigkeit der Welle ist. Diese Fliehkraft
ruft in der durchgebogenen Welle die gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete
elastische Gegenkraft (2) P-a.Y hervor, so daß die Gleichgewichtsbedingung
besteht (3) M (Y + e)2@-:P. =@a ' Y. woraus sich die
Durchbieun g
ergibt. a ist dabei ein Faktor, der von den Abmessungen der Welle und der Art der
Lagerung abhängt.: Steigert man die Winkelgeschwindigkeit,
bis
a -lnlv'-= o, d. h. y ==-wird, so ist diese »kritische Winkclg-eschwindigkeit«
Wird durch irgendwelche Mittel dafür Sorge getragen, daß man diese kritische Geschwindigkeit
ohne Gefahr der tatsächlichen Ausbildung einer unendlichen, überhaupt einer übermäßigen
Wellendurchbiegung überschreiten kann, so stellt sich hierauf ein neuer stabiler
Gleichgewichtszustand ein, bei welchem die Wellendurchbiegungentgegengesetzte Richtung
hat, entsprechend dem Vorzeichenwechsel 'von y in Gleichung (4.) für einen negativen
Wert des Nenners (a-miv=).
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Führt man die kritische Geschwindigkeit gemäß Gleichung (5) in die
Gleichung (4) ein, so ergibt sich
d. h. bei Drehgeschwindigkeiten unterhalb der »kritischen« hat die elastische 'Vellendurchbiegung
denselben Richtungssinn wie die Exzentrizität der Massem, bei höherer Drehgeschwindigkeit
als der »kritischen« dagegen ist die Wellendurchbiegung der Exzentrizität der Massem
entgegengesetzt gerichtet, die Massem hat also nicht mehr das Bestreben, ihre Exzentrizität
zu vergrößern, sondern um ihren eigenen Schwerpunkt zu rotieren, was bei iv = xi
erreicht wird, da alsdann y = -e.
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Diese Erscheinung paßt vorzüglich zu der Forderung einer Hubregelung,
daß bei Steigender Drehzahl der Hub kleiner werden muß, d. h. eine der vorhandenen
Exzentrizität der Kurbiel oder des Exzenters entgegengesetzt gerichtete Welllendurchbiegung
eintreten soll.
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Die Verhinderung aller anderen als der zur Regelung erforderlichen
Wellenverbiegungen, z. B. derjenigen infolge des durch die Pleuelstangen auf die
Welle übertragenen Wasserdrucks, erfolgt entweder durch geeignete Avsgleichschwrongscheiben
oder durch symmetrische Anordnung von mehr als zwei Zylindersternen, deren unter
dem Einfluß des Wasserdruckes gegen die Kolben auf die Welle wirksamen Biegungsmomenten
sich gegenseitig aufheben.
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Zweckmäßig werden die etwa angewendeten. Ausgleichscheiben mit einem
zum Teil mit Quecksilber gefüllten Hohlraum versehen zum selbsttätigen Ausgleich
des bei jeder Wellenumdrehung auftretenden und durch die endliche Anzahl. der in
einem Zylinderstern vereinigten Zylinder bedingten periodischen Schwankungen der
Resultierenden der Pleuelstangenkräfte. Diese Anordnung gründet sich auf folgende
Überlegung.
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Ist ein genau zentrisch rotierender Hohlzylinder teilweise mit einer
Flüssigkeit, z. B. Quecksilber, gefüllt, so wird während der Rotation, eineAei ob
unterhalb oder oberhalb der kritischen Drehzahl, der Queck= Silberspiegel die Gestalteines
zum Hohlzylinder konzentrischen Zylindermantels anneInnen. Wird jedoch durch irgendeinen
von außen gegen die Welle gerichteten Kraftimpuls die zentrische Lage des rotierenden
Hohlzylinders gestört, so wirkt unterhalb der kritischen Drehzahl eine solche teilweise
Quecksilberfüllung in dem Sinn, daß die Exzentrizität des rotierenden Hohlzylinders
unter dem Einfluß der Fliehkraft der Quecksilber= masse vermehrt wird durch Hinzukommen
einer in der Richtung der schon vorhandenen Exzentrizität sich ausbildenden Wellenverbiegung.
Oberhalb der kritischen Geschwindigkeit dagegen folgt die frei bewegliche Quecksilbermasse
ihrem Bestreben, um ihren eigenen Schwerpunkt zu rotieren, woraus sich eine selbsttätige
Zentrierung des Hohlzylinders ergibt durch Auftreten einer Massenfliehkraft, welche
dem die ursprüngliche Schwerpunktslage des rotierenden Zylinders störenden Impuls
entgegengesetzt gerichtet ist.
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Da nicht nur die Welle, sondern auch die durch die Pleuelstangen mit
ihr verbundenen Membrankolben erfindungsgemäß als elastisch federnde Organe ausgebildet
sind, so hat man ein die elastische Welle, die Pleuelstangen und die elastischen
Kolbenmembranen umfassendes einheitliches elastisches Schwingungssystem, bei welchem
die Beschleunigung oder die Verzögerung der darin schwingenden Massen keinen nennenswerten,
den Wirkungsgrad beeinflussenden Kraftaufwand erfordert.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt. .
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Abb. i zeigt einen Längsschnitt durch die Wasserkraftmaschine, während
Abb. z einen Querschnitt darstellt. Abb.3 und 4 zeigen eine der zur Regelung verwendeten
Schwungmassen in Seiten- und Stirnansicht. Abb.5 und 6 sind ein Querschnitt und
eine Seitenansicht einer anderen zurr Ausgleich des gegen die Welle wirkenden Wasserdrucks
dienenden Exzenterscheibe; während Abb. ; die gegenseitige Anordnung der Regel-
und Ausgleichschwluigmassen auf der Antriebswelle zeigt.
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Die Wasserkraftmaschine besitzt in an sich bekannter Weite z. B. zylindrische
Arbeitsräume a, während die Arbeitskolben aus' an ihrem Umfang eingespannten Membranen
b bestehen. Diese arbeiten mittels Pleuelstangen c, die an einen Ring d aasgelenkt
sind, auf die Kurbel oder das Exzentere einer
Welle f. Der ZVa>serztifluß
g sowie der Abiiuß /t werden beide durch auf der Welle/ befestigte Drehschieber
i- gesteuert und stehen mit den Arbeitsräumen, den Zylindern a, durch Rohrleitungen
k und L 11 Verbindung. l?rfindungsgemäß ist die Welle f in allseitig
v(-rschwenkbaren Lagernin gelagert, so daß .ie sich. ohne zu klemmen, durchbiegen
kann, während zwischen den die Schieber-! tragenden )Vellenteil n und die biegsame
Arbeitswelle/ eine oder mehrere nachgiebige Kupplun.gen o eineschaltet sind. Die
Erfindung besteht nun' darin, daß die Welle f derart biegsam gemacht und mit exzentrischen
Massen besetzt wird, daß der Hub der Membrankolben b durch Steigerung oder Verminderung
ihrer Durchbiegung unter dem Einfluß der Fliehkräfte dieser exzentrischen Massen
selbsttätig der Drehzahl entsprechend geregelt wird, wie in der Einleitung auseinandergesetzt
ist. Die erwähnten exzentrischen Regelmassen werden durch Exzenterscheibenp gebildet.
deren Exzentrizität zweckmäßig einstellbar ist. So bestehen diese zur Hubregelung
dienenden Exzenter p z. B., wie in :1bb. ,, und .l gezeigt isst, aus einem verschiebbaren
Gewicht von der Form eines geschlossenen Rahmens, der auf einem auf der Welle/
`itzenden
Gleitstück y geführt ist. Das Gleitstück r trägt beiderseits auf Schraubenspindeln
s verstellbare Widerlagerscheibben t, gegen die sich Federnu stemmen, deren andere
Lnden gegen den Rahmenp anliegen. Durch Verstellen der Widerlagerscheiben p auf
ihren Spindeln kann die Exzentrizität der Exzenterrahmen >> beliebig geändert werden.
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Uni, die gegen die Welle wirkenden Wasserdruckkräfte sowie ihre durch
Gefälleschwankun,en des Treibmittels hervorgerufenen Schwankungen ausgleichen zu
können, sind weitere Ausgleichscheiben g vorgesehen, deren Massenschwerpunkt entsprechend
dem Gefälle verlegt wird. Eine solche Ausgleichscheibe ist z. B. in Abb. 5 und 6
gezeigt. Die Aushleichscheibe besteht aus deinem Gehäuse v, das mit einer Nabe iv
auf der Welle/ befestigt ist. Von- der Nabe w aus geht ein Zylinder x. in dem ein
unter Federdruck stehender Kolbeny geführt ist. Der Zylinderraum .t zwischen dem
Kolben y und der Nabe iv wird durch die hoble Weile mit dem Treibmittel gefüllt
und steht daher unter dessen Druck, so daß der Kolben y bei wachsendein Druck entgegen
der Fedenvirkung nach außen bewegt und damit der Massenschwerpunkt der Schwungmasse
ebenfalls nach außen verlegt wird und bei entsprechender Anordnung derselben dem
erhöhten Wasserdruck auf die Welle entgegenwirkt.
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Naturgemäß bilden die Richtungen der Exzentrizität der Regelungsscheiben
p und der 3usgleichscheiben g normalerweise einen Winkel von go°.
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Um ferner diejenigen periodischen Schwankungen der Welle selbsttätig
auszugleichen, welche von dem Wechsel der einzelnen Zylinder vom Volldruck des Wassergefälles
zum Niederdruck des abfließenden Wassers herrühren, besitzen die Ausgleichscheiben
g emmen sichelförnnigen Hohlraum, der teilweise mit Quecksilber z gefüllt ist, eine
Anordnung, deren grundsätzliche Bedeutung bereits oben erläutert wurde. Setzt man
nämlich die vom Druckwasser durch die jeweils ihm ausgesetzten Membranen und die
Pleuelstangen auf die Welle wirkenden Kräfte zu einer Resultierenden zusammen, so
ergibt sich, daß bei jeder Wellenumdrehung diese Resultierende ebenso viele Schwankungen
aufweist, als die Zahl der in einem 'Zylinderstern vereinigten. Zylinder beträgt.
Hierbei handelt es sich tun Schwankungen sowohl hinsichtlich der Größe als der Richtung
dieser Resultierenden, indem diese Resultierende* biei z meinem Zylinderstern vereinigten
Zylindern während jeder Wellenumdrehung z Maxima und Minima aufweist sowie gleichzeitig
x-mal nun ,einen bestimmten kleinen Winkelbetrag a von ihrer Normalrichtung abweicht.
Durch diese periodischen Schwankungen ist die Welle entsprechenden periodischen.
Erschütterungen ausgesetzt, welche jedoch durch die Anordnung eines teilweise mit
Quecksilber gefüllten Hohlzylinders in jeder der Ausglechgcheiben g (Abb. 5 und
6) selbsttätig ausgeglichen werden, wie aus den bereits oben. erläuterten physikalischen
Grundlagen dieser Anordnung ohne weiteres hervorgeht. .
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Da diese Ausgleichscheiben g mit einer erheblichen Exzentrizität auf
der Welle f angeordnet sind, kann sich dieser selbsttätige Ausgleich nur in der
allgemeinen Richtung dieser Exzentrizität auswirken und bleibt daher ohne jeglichen
Einfluß auf die senkrecht dazu in Richtung des Hubes, d. h. der Kurbel oder des
Antriebsexzenters, sich zum Zwecke der Regelung ausbildenden @ellendurchbegt@mgen.