DE56529C - Kraftmaschine mit durch einen Flüssigkeitsring begrenztem Arbeitsraum des Kolbens - Google Patents

Description

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Kreiselmaschine ist eine auf dem Princip der sogenannten rotirenden Dampfmaschinen ■beruhende maschinelle Vorrichtung, welche entweder als Motor .dient, wobei sowohl expandirende Flüssigkeiten, z. B. Wasserdampf, •Prefsluft etc., als auch Druckwasser das treibende -Mittel sein können, oder aber als Pump- oder •Gebläsemaschine für tropfbare und luftförmige !Flüssigkeiten Verwendung findet. .
.... In dem cylindischen Gehäuse G G mit der Mittelachse A_g und der Fufsplatte pp, welch letztere auch als Wandplatte gilt, wenn die Achsen Ag- und Au senkrecht zu montir.en sind, rotirt das Kreiselrad KK um die Mittelachse Aj₁ excentrisch zu dem Gehäuse G G. Das Kreiselrad wird in üblicher Weise auf der Welle w n> befestigt und mittelst Riemscheibe T₁ bezw. mittelst Zahn- oder Frictionsräder angetrieben. Die Doppelmuttern m^l oder irgend eine andere bekannte Vorrichtung dienen dazu, um die nach Art eines ebenfalls bekannten Drehschiebers construirte Stirnfläche α α der Kreiselradnabe dampf- bezw. wasserdicht zur Anlage zu bringen. Der Deckel D D des Gehäuses G G ist in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise als Lager für die Kreiselradwelle ausgebildet, was für sehr kleine Kreiselmascbinen genügt, während für gröfsere Ausführungen eine solidere Lagerung der Welle angeordnet werden kann. '

Im Innern des Gehäuses befindet sich eine Flüssigkeit, am besten Quecksilber, welches specifisch schwerer sein mufs als die treibende bezw. als die zu fördernde Flüssigkeit.

Denkt < man sich das Kreiselrad in Richtung des eingezeichneten Pfeiles in Bewegung, so nimmt infolge der Cefitrifugalkraft die in das Gehäuse eingebrachte Flüssigkeit, als welche irri folgenden Verlauf der Beschreibung stets Quecksilber gedacht werden möge, eine ringförmige Gestalt concentrisch zur Gehäüseachse A_s an.

Die schaufelartigen Kammerwände ddd bewirken, dafs das Quecksilber an der Rotation theilnehmen mufs. ■

Verfolgt man in Fig. ι den Vorgang, der sich während einer Umdrehung des Kreiselrades innerhalb einer Kammer vollzieht, so ergiebt sich, dafs, von der Stellung I ausgehend, in welcher die Kammer noch vollständig mit Quecksilber angefüllt ist, bereits in II sich ein hohler Raum bildet, der mit wachsendem Drehungs,winkel immer gröfser und gröfser wird, bis er ein Maximum erreicht, sobald die Kammer um 18o° von I entfernt ist. In derselben Weise nimmt der vom Quecksilber nicht beanspruchte Kammerraum bei fortschreitender Drehung wieder ab, indem er die Stellungen VI, VII, VIII, IX durchläuft

Die eine jede Kreiselkammer nach aufsen hin abgrenzende quecksilberne Rotationsfläche vertritt also den von festem Material hergestellten Gylinderkolben einer gewöhnlichen Dampfmaschine öder Pumpe. Der Quecksilberkolben hat vor jenem jedoch den Vorzug, dafs er absolut dicht und keiner Abnutzung unterworfen, auch die verlorene 'Reibungsarbeit fast Null ist.

Das Einströmungsrohr α in Fig. 3 communicirt mit der Rotationsschieberöffnung α. α der -Fig. 4, ebenso das Ausströmungsrohr ω, Fig. 3, mit dem Schieberschlitz'ω w, Fig. 4. ..' ··

Jede der Kreiselkammern I, II, III ... IX communicirt mit einer der Rotationsschieber-Öffnungen ε ε . . . ε¹ ε¹, Fig. 2.

Denkt man sich die Kreiselmaschine in ihrer Wirkungsweise als Pumpe oder Gebläsemaschine, so sind αα-εεε diejenigen Oeffnungen, durch welche Wasser oder Luft angesaugt, U)U)-E¹E¹E¹ dagegen die Oeffnungen, durch welche die zu fördernde Flüssigkeit ausgestofsen wird. Dieselbe Kreiselmaschine, als Dampfmotor, Druckluftmotor oder dergleichen gedacht, würde nur dadurch von voriger sich unterscheiden, dafs die Schieberöffnung a a, Fig. 4, für den Admissionsdampf zwecks Herbeiführung eines kleineren Füllungsgrades entsprechend kurzer angeordnet würde, während die Schieberöffnung w ω, Fig. 4, für den Abdampf dieselbe bliebe. Der Dampfmotor würde mit ganzer Füllung arbeiten, wenn die Gröfse des Schieberschlitzes α α, Fig. 4, beibehalten würde.

Das Anlassen einer Pumpe dieses Systems ist an keinerlei Bedingungen geknüpft. Der Motor dagegen setzt voraus, dafs man vor Beginn der Dampf- bezw. Prefslufteinströmung dem Kreiselrad einen solchen Antrieb ertheilt, dafs das Quecksilber die in Fig. 2 angedeutete Ringform annimmt. Erst wenn diese sich gebildet hat, öffnet man langsam das Einströmungsventil.

Die Fähigkeit des unter dem Einflufs der Centrifugalkraft stehenden Quecksilbers, die einzelnen Kreiselkammern so widerstandsfähig abzudichten, dafs es durch den expandirenden Dampf nicht herausgeschleudert wird, ist durch folgenden Vergleich nachzuweisen.

Im Barometer hält eine Quecksilbersäule von 760 mm, lediglich beeinflufst durch die Schwerkraft der Erde, dem äufseren Luftdruck von !..Atmosphäre das Gleichgewicht. Ist die das Quecksilber innerhalb der Kreiselmaschine beeinflussende Gentrifugalkraft beispielsweise 500 mal so grofs als die Schwerkraft der Ende, so wird ι Atmosphäre Dampfüberdruck das Quecksilber um

760
500

= 1,5 mm zurückdrängen, d. h.

mit anderen Worten: Der innere Radius des Quecksilberringes würde in derjenigen Kammer, worin 1 Atmosphäre Ueberdruck herrscht, um i,,5 mm gröfser sein, als wenn unter übrigens gleichen Umständen ρ Atmosphäre Ueberdruck vorhanden wäre. Bei 4 Atmosphären Spannung des Admissionsdampfes würde dann das Quecksilber 6 mm zurückgedrängt werden, was praktisch durchaus zulässig erscheint. In diesem Falle müfste die Maschine so bemessen werden, dafs das Mafs x, Fig. 2, ^> 6 mm beträgt.

Der hierbei vorausgesetzte dynamische Zustand, dafs nämlich die Centrifugalkraft das 500fache der specifischen Schwere beträgt, ist dargestellt durch den Ausdruck

G-v²

=₅oo.G,

g.r

worin G = Schwere eines in der innersten Zone des rotirenden Ringes sich befindenden kleinsten Quecksilbertheichens; ν — Umfangsgeschwindigkeit dieser Zone; g = Beschleunigung durch die Schwere = 9,81; r = Radius der gedachten Zone, d. h. = innerer Radius des Quecksilberringes bedeuten. Aus dieser Gleichung folgt, dafs ν = jo]/r oder die Anzahl der Umdrehungen des Quecksilberringes pro Minute

669

sein mufs, wenn der obigen Voraussetzung genügt werden solle. Ist also z. B. die Maschine so bemessen, dafs der innere Radius des Quecksilberringes = 0,448 m ausfällt, dann mufs die Anzahl der Umdrehungen pro Minute betragen :

669

u = ■

.=1000.

V 0,448

Unter diesen Umständen wird das Quecksilber also bei einer Admissionsdampfspannung von 4 Atmosphären Ueberdruck nicht mehr denn 6 mm zurückgedrängt werden.

Vor Inbetriebsetzung der Maschine wird das Quecksilber durch dieOeffnungo in der den Constructionsverhältnissen entsprechenden Menge eingeführt. Der genau richtige Querschnitt des FlUssigkeitsringes ist durch die Linie n-m, Fig. i, begrenzt.

Bei plötzlichen Druckveränderungen in den Kammern des Kreiselrades geräth die innere Rotationsfläche des Quecksilberringes in Schwankungen, und zwar derart, dafs aus dem Innern einer Kreiselradkammer das Quecksilber theilweise herausgedrängt wird. Das hat natürlich zur Folge, dafs die aufserhalb des Kreiselrades befindliche Quecksilbermasse eine centripetale Bewegung annimmt, also in eine. Rotationszone gelangt, in welcher die Centrifugalkraft geringer ist, als nothwendig, um dem Dampfdruck zu widerstehen.

Um dies zu verhüten, ist der Ueberlauftopf m νy ·{ angeordnet, in welchem das Quecksilber vermöge der ihm innewohnenden lebendigen Kraft so lange müfsig umherkreist, bis die Schwankungen aufgehört haben und es sich wieder zu der übrigen Quecksilbermasse hinzugesellen kann.

Was die Anzahl der Kreiselradkammern betrifft, so ist die in der Zeichnung vorausgesetzte Zahl 9 keineswegs Bedingung. Es können ebensowohl mehr oder weniger sein. Wäre z. B. nur eine einzige radiale Zwischen-

wand Cl₁, Fig. 2, vorhanden, so würde dadurch schon dem Patent-Anspruch genügt sein.

Auch ist die Zweckmäfsigkeit der Construction nicht an das Vorhandensein des Quecksilbers gebunden. Die Kreiselmaschine in ihrer Verwendung als Gebläse für beiläufig 200 mm Wassersäule läfst die Benutzung von Wasser an Stelle des Quecksilbers statthaft erscheinen.

Die Fig. 5 bis 10 zeigen solche Ausführungen mit nur einem einzigen Kolben. Fig. 11 bis 14 sind Darstellungen der rotirenden Maschine mit zwei Kolben. Ebenso läfst sich jede beliebige andere Anzahl der Kolben anordnen.

Während jedoch diejenigen Maschinen, welche drei oder mehr Kolben besitzen, im allgemeinen nach dem an Fig. 1 bis 4 erläuterten Princip construirt werden können, so bieten die Ausführungen mit einem und diejenigen mit zwei Kolben folgende abweichende Einrichtung:

In Fig. 5 bis 10 ist ein besonderes Vertheilungsorgan (wie der Drehschieber a a in Fig. 1) nicht vorhanden. Dreht sich nämlich das Kreiselrad Fig. 10 in der Pfeilrichtung f, so wird hinter dem Kolben durch die Oeffnung e Luft bezw. Dampf oder Gas etc. einströmen, während durch die Oeffnung a (in der Figur nicht sichtbar, weil dahinter liegend) Ausströmung stattfindet. Eine Umkehr der Stromrichtung, wie eine solche in den Kanälen ε der Fig. 2 beobachtet wurde, tritt hier nicht ein. Vielmehr ist e ein für allemal Einströmungs-, α ein für allemal Ausströmungsöffnung während der ganzen Umdrehung des ..Kreisels.

Fig. 10 ist die Stirnansicht für Fig. 8. Beide Oeffnungen e und α sind hier sichtbar.

Das Kreiselrad Fig. 7,. ferner die Riemscheibe r und das Kreiselrad Fig. 8 haben eine gemeinsame Welle. Die Combination Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9 zeigt die Anwendung der rotirenden Maschine als Heifsluftmotor. In Fig. 8 wird atmosphärische Luft angesaugt und unter Druck durch die Rohrleitung -R R R in den Feuertopf Fig. 9 geleitet, woselbst auf bekannte Art Heizmaterial innerhalb des allseitig verschlossenen Feuerraumes verbrennt.

Von hier aus gelangen die erhitzten Feuergase durch die Rohrleitung R¹ R¹ R¹ in die rotirende Maschine Fig. 7, wo zwar derselbe Ueberdruck hinter dem Kolben herrscht, wie in Fig. 8, jedoch hier auf eine gröfsere Kolbenfläche wirkt, um die motorische Kraft zur Drehung der gemeinsamen Welle abzugeben.

Die den rotirenden Flüssigkeitsring bildende Masse ist bei diesen Motoren gewöhnliches Wasser, weshalb deren Dimension und Tourenzahl so gewählt wird, dafs aus den oben durch Rechnung nachgewiesenen Gründen der Ueberdruck der treibenden Heifsluft ein nur geringer ist.

Infolge seiner Berührung mit der Heifsluft wird das kreisende Wasser erwärmt und verdampft. Der so erzeugte Dampf wird gemeinsam mit der Heifsluft durch das Rohr R" ins Freie entlassen. Bei g in Fig. 7 befindet sich ein Röhrchen, durch welches dem Motor continuirlich in demselben Mafse Kühlwasser zufliefst, wie dasselbe im Motor verdampft.

Fig. 5 ist die Stirnansicht für Fig. 7 und Fig. 6 zeigt das Kreiselrad aus Fig. 5 und 7 von oben gesehen. Es ist Fig. 5 im Princip genau dasselbe wie Fig. 10. Auch hier besitzt das Kreiselrad nur einen Kolben d. Die stegartigen Theile b b b sind keine Kolben, sondern Schaufeln, welche die im Innern befindliche Flüssigkeit zur Mitrotirung zwingen helfen. Die kleinen schaufelartigen Ansätze ccc in Fig. 5 sichern die Abdichtung bezw. Trennung des Saugraumes vom Druckraum, welcher Umstand in den Fig. 10 bis 14 lediglich behufs Vereinfachung der Zeichnung nicht berücksichtigt worden ist. Um den Zweck dieser Schaufelchen c c c deutlich zu erkennen, denke man sich, an der Stelle h in den Fig. 10, 12, 13 und 14 würde aus irgend einer Ursache keine Berührung zwischen dem rotirenden Wasserring und dem Kreiselrad stattfinden, dann würden offenbar die beiden Räume vor und hinter dem Kolben communiciren, also einen einzigen Raum bilden. Dieses Vorkommnifs zu verhindern, ist der Zweck der kleinen Schaufeln c c c. Dieser Zweck wird dadurch vollkommen erfüllt, dafs eine Schaufel c stets in der Nähe von h ist und dort die Trennung beider Räume bewirkt, falls eine Berührung des Flüssigkeitsringes mit dem Kreiselradumfang nicht stattfindet.

Das Zweikolbensystem ist in den Fig. 11 bis 14 dargestellt. Diese vier Figuren zeigen eine und dieselbe Maschine in vier verschiedenen Kolbenstellungen. Die Zeichen α ε ε¹ ω haben hier dieselbe- Bedeutung wie in Fig. 2 und 4. Es sind nämlich die schraffirten ringförmigen Oeffnungen , α α die Einströmungsschlitze und ω ω die Ausströmungsschlitze eines Rotationsschiebers, während ε die Einströmungsund ε¹ die Ausströmungsöffnungen im Kreiselrad andeuten, welche in geeigneten Zeitläufen mit den Drehschieberschlitzen a. bezw. w communiciren.

Demzufolge findet in Fig. 11 hinter dem Kolben II Einströmung, vor demselben Kolben Ausströmung statt. Vor und hinter dem . Kolben I dagegen sind beide Kanäle abgesperrt.

In Fig. 12 findet hinter I Einströmung statt, vor I dagegen ist abgesperrt. Hinter II derselben Figur herrscht Einströmung, vor II Ausströmung.

Fig. 13 ist diejenige Kolbenstellung, in welcher der Raum C seine gröfste Ausdehnung erreicht. Bis kurz zuvor hatte noch hinter dem Kolben II Einströmung stattgefunden. In diesem Augenblick herrscht aber im Raum C weder Einströmung noch Ausströmung. Letztere wird im nächsten Augenblick Vor dem Kolben I beginnen. Vor II herrscht in dieser Stellung Ausströmung, hinter I Einströmung.

Endlich hat der Raum vor dem Kolben I in Fig. 14 Ausströmung, während auf der anderen Seite hinter II abgesperrt ist und vor II Ausströmung stattfindet.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Eine Kraftmaschine, gekennzeichnet dadurch, dafs der Arbeitsraum des Kolbens nach aufsen hin durch einen in gleicher Drehrichtung mit dem Kolbenrad K umlaufenden Flüssigkeitsring begrenzt wird, der seine Gestalt unter dem Einrlufs der hierbei auftretenden Centrifugalkraft nach den Gesetzen des hydrodynamischen Gleichgewichts erhält, und dafs die Achse der Scheibe K nicht zusammenfällt mit der Achse der umlaufenden Flüssigkeitsmasse.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.