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Kolbenmaschinen- und Abdampfturbinenanlage, insbesondere für Fischdampfer
Die durch Kolbenmaschinen- und Abdampfturboantriebe auf Schiffen erzielten Vorteile
sind bekannt. Die bekanntesten dieser Systeme sind Bauer-Wach und Götaverken. Auch
turboelektrische Abdampfanlagen sind vorgeschlagen worden. Bei kleineren Schiffseinheiten,
wie z. B. Fischdampfern, kann es unter Umständen, insbesondere wegen der beengten
Raumverhältnisse, schwierig werden, die Abdampfturbinenanlage im Maschinenraum unterzubringen,
weil z. B. die beiden Räderübersetzungen im Getriebe, das zur Untersetzung der hohen
Turbinendrehzahl auf die niedrige Propellerdrehzabl notwendig ist, einen Raum beanspruchen,
der durch die Leistung und die Drehzahlen in seiner Größe bestimmt ist. Für solche
beschränkten Raumverhältnisse soll die Erfindung ein Mittel bieten, um auch in diesen
Fällen die Vorteile des Abdampfturbinenprozesses unter Erreichung einer annähernd
gleichen Wirtschaftlichkeit, wie z. B. mit einer Bauer-Wach-Anlage, eintreten zu
lassen.
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Zu diesem Zwecke schlägt die Erfindung vor, auf Schiffen, deren Raumverhältnisse
es nicht gestatten, die Abdampfturbine mit dem Kondensator und das die Turbinenleistung
auf die Kolbenmaschinen-bzw. Propellerwelle übertragende Rädergetriebe nebst Zwischenschlupfkupplung
in üblicher Weise hinter oder neben der Kolbenmaschine aufzustellen, auf die übliche
mechanische Verbindung von Turbine und Getriebe zu verzichten und diese Teile der
Anlage
in Anpassung an die gegebenen Abmessungen und Einteilung des Maschinenraumes getrennt
unterzubringen und eine an sich bekannte elektrische Antriebsübertragung zwischen
Getriebe und Turbine vorzusehen.
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In Ausführung dieses Gedankens wird erfindungsgemäß eine mit einem
Stromerzeuger ge= kuppelte Abdampfturbine, die als bauliche Einheit in Gestalt einer
Turbodynamo ausgebildet sein kann, und der Kondensator oberhalb der Kolbenmaschine,
und zwar im wesentlichen in der oberen Nische des hinteren abgestuften Maschinenraumschotts
in Längs- oder Querrichtung des Schiffes auf der Maschinengräting oder einem in
dieser Höhe angeordneten Podest untergebracht. Dabei kann die Turbodynamo auch unmittelbar
auf den Kondensator aufgesetzt sein. Das zur Übertragung der Turbinenleistung auf
die Kolbenmaschinenwelle dienende Getriebe mit der Zwischenschlupfkupplung ist dagegen
im sog. hinteren Rezeß des Schotts unmittelbar hinter der Maschine angeordnet. Der
Antrieb des Getriebes erfolgt dabei durch einen von der Turbodynamo gespeisten,
im hinteren Rezeß des Maschinenraumes unmittelbar hinter Getriebe und Kupplung gelagerten,
zweckmäßig umpolbaren Elektromotor. Vorzugsweise wird als Stromerzeuger eine Gleichstromnebenschlußmaschine
verwendet, deren Ankerklemmen mit denen des Gleichstromnebenschlußmotors unmittelbar
durch Kabel verbunden sind. Dabei kann die Drehzahl des Generators entsprechend
der Betriebsdrehzahl des Elektromotors herabgesetzt werden. Ferner ist mit der angegebenen
Antriebsart der Vorteil verbunden, daß die durch die Abdampfturbine gewonnene Zusatzleistung
bei Vorwärts-und Rückwärtsfahrt in gleicher Höhe als Schraubenwellenleistung zur
Verfügung steht. Des weiteren ergibt die angegebene Aufstellung der Turbine im Raum
und die Anordnung des Wellengetriebes in besonderer Anpassung an die Raumverhältnisse
auf kleineren Schiffen die wünschenswerte äußerste Kürzung der Zudampfleitung zur
Turbine, da diese dicht neben dem Zylinderkopf der Kolbenmaschine zu liegen kommt.
Da der Kondensator auch dicht neben der Turbine untergebracht ist, wird auch die
Abdampfleitung zum ersteren sehr kurz, abgesehen von der schon erwähnten Möglichkeit,
die Turbine unmittelbar auf den Kondensator zu setzen. Endlich ist es auch möglich,
die Turbine je nach Raumverhältnissen und mit Rücksicht auf die Zugänglichkeit beliebig
in Längs- oder Querrichtung des Schiffes aufzustellen.
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Die Anlage ist ferner erfindungsgemäß so eingerichtet, daß alle Handgriffe
beim Anfahren und Manövrieren der Gesamtanlage, gleichgültig ob es sich um die Änderung
der Schiffsgeschwindigkeit beim Vorwärts- oder Rückwärtsgang der Kolbendampfmaschine
handelt, oder ob ein Umsteuermanöv er von Voraus auf Zurück oder umgekehrt erfolgen
soll, vom Zentralfahrstand aus ausgeführt werden können. Alle hierzu erforderlichen
Verstellungen der Steuerorgane für die Kolbendampfmaschine, die Abdampfturbine und
das Untersetzungswellengetriebe folgen selbsttätig so aufeinander und sind so gegeneinander
verblockt, daß die Gesamtanlage betriebs- und maßgriffsicher ist.
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Nachstehend ist die Erfindung an einem in den Zeichnungen skizzenhaft
dargestellten Beispiel erläutert.
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Die Abb. i und 2 stellen die Anordnung, (Anordnung A) der Anlage im
Schiff im Aufriß und Grundriß dar; Abb.3 zeigt die Anordnung von Turbine und Kondensator
in der Ansicht von hinten; Abb.4 ist ein Schnitt nach d-a der Abb. i; Abb. 5 und
6 (Anordnung B) stellen eine abgeänderte Anordnung im Grundriß und im Schnitt nach
b-b der Abb. 5 dar; Abb. 7 zeigt eine Sonderbauart der Turbine, bei welcher die
Dampfzu- und -ableitungen am, Unterteil der Turbine angebracht sind (Anordnung C)
; Abb. 8 ist ein Schaltungsschema, und Abb. 9 veranschaulicht die Verblockung der
Schaltung der Abdampfturbinenanlage mit der Steuerung der Dampfmaschine.
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Wie insbesondere aus den Abb. 1, 3 und 4 ersichtlich, ist die Turbine
2 mit dem Kondensator 13 in der oberen Nische :V des abgestuften 1laschinenraumschotts
S auf der Maschinengräting G aufgestellt, während die Kolbendampfmaschine i auf
dem üblichen Flurboden F steht. Das unmittelbar hinter der Maschine befindliche
Untersetzungsgetriebe 6 mit der Zwischenschlupfkupplung 5 liegt gänzlich oder größtenteils
innerhalb des hinteren Rezesses R des Schotts. Es wird durch einen dahinter im Rezeß
gelagerten Elektromotor 4 angetrieben, dessen Ankerklemmen durch Kabel unmittelbar
mit den Ankerklemmen eines Gleichstromnebenschlußstromerzeugers 3 verbunden sind,
an dessen Stelle aber auch ein Wechsel- oder Drehstromerzeuger verwendet werden
kann. Zwecks Verminderung der hohen Drehzahl der Turbine ist ein Untersetzungsgetriebe
9 eingebaut, wodurch auch günstigere Kollektorverhältnisse des Stromerzeugers im
Dauerbetrieb erzielt werden. Um ferner für den Bordbetrieb übliche Spannungsverhältnisse
zu erhalten, sind z. B. 220 Volt als Klemmenspannung vorgesehen.
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Der aus dem Niederdruckzylinder der Kolbendampfmaschine durch die
Leitung i i abströmende Dampf kann in bekannter Weise wahlweise direkt oder nach
vorheriger Arbeitsleistung in der Dampfturbine 2 durch den Auspuff 12 in den Kondensator
i i austreten. Die Umschaltung erfolgt gewöhnlich durch eine in dem Turbinengehäuse
angeordnete Umschaltklappe 15. Statt dessen kann auch ein Doppelsitzventil verwendet
werden, das auch außerhalb des Turbinengehäuses angeordnet werden kann. Eine solche
Ausführungsform versinnbildlicht beispielsweise Abb. 7. Wie gezeigt, sind hier der
Zudampfstutzen i i und der Auspuff 12 zum Kondensator sowie ein Wechselventil i5c
mit der unteren Hälfte des Turbinengehäuses baulich vereinigt, während den Gehäuseoberteil
lediglich der Gehäusedeckel bildet. Das Ein- und Ausbauen sowie Nachsehen der Turbine
ist dadurch erheblich erleichtert. Das Wechselventil, das die Verbindung zwischen
Zudampfstutzen i i und Turbinenbeschaufelung
oder Auspuff i= '
zw. Austrittsstutzen 17 des Turbinengehäuses vermittelt, wird von außen in später
beschriebener Weise (gleichwie die Umschaltklappe 15) sinngemäß eingestellt.
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Die von der Turbine angetriebene Dynamo 3 gibt ihre Energie, wie schon
gesagt, unmittelbar, also dicht über Spannungsschienen in einer Schalttafel an den
Motor 4 weiter. Die Erregerwicklungen der Dynamo und desMotors werden im allgemeinen
keiner Widerstandsreglung unterworfen, da die beim Anlauf der Dynamo allmählich
entwickelte elektrische Energie hier gleichzeitig von dem allmählich Leistung aufnehmenden
Motor abgenommen wird und weil bei dieser Betriebsart der Anlage ein Halten der
Spannung auf konstanter Höhe, wie z. B. bei Lichtnetzbetrieb, nicht erforderlich
ist. Es können aber auch z. B. Nebenschlußregelwiderstände zur Einstellung optimaler
Verhältnisse vorgesehen sein. Die Änderung der Drehrichtung des Motors .1 erfolgt
durch Änderung der Polarität der Nebenschlußwicklung des Motors. Sie wird durch
einen Wendeumschalter bekannter Art ausgeführt. Die Umpolung geschieht stets bei
Stillstand der Dynamo und des Motors, was durch eine Verblockungseinrichtung am
Fahrstand gewährleistet ist. Die Umpolung des Motors ist zwangsläufig mit der Umsteuerung
der Kolbendampfmaschine gekuppelt. Der 'Motor 4 gibt eine Leistung über ein einfaches
Zahnradgetriebe 6 an das Getriebe ab. All der Getriebewelle 7 ist aus raumsparenden
Gründen das Propellerdrucklager 8 angeordnet. Die Übersetzungsverhältnisse des Getriebes
9 zum Antrieb der Dynamo 3 und dasjenige des Übersetzungsgetriebes 6 zwischen -Motor
4 und Welle 7 sind so abgeglichen, daß sich für die Dynamo und den Motor praktisch
gleiche Drehzahlen ergeben. Dvnamo und Motor sind hierbei also elektrisch gleichartig
ausgelegt. Es können aber auch andere Drehzahlverhältnisse für die Dynamo und den
Motor gewählt werden. Die Drehzahl der Dynamo kann z. B. um einen geringen Betrag
höher sein.
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Zwischen dem Motor .4 und dem Ritze' des Getriebes 6 auf der Haupt,#velle
7 ist eitle FlÜssigkeitsschlupfkupplung 5 eingeschaltet. Mit dieser Kupplung bekannter
Bauart (s. Abb. 8) kann die kraftschlüssige Verbindung zwischen 'Motor .4 und Ritze'
durch Füllen der Kupplung hergestellt oder diese Verbindung durch Entleeren der
Kupplung unterbrochen werden. Das Füllen und Entleeren erfolgt in bekannter Weise
durch ein wechselweise gesteuertes Organ 14 (Abs. 8). Wegen der verhältnismäßig
hohen zulässigen Drehzahlen des Antriebsmotors wird der Durchmesser der Flüssigkeitskupplung
5 verhältnismäßig klein. Deshalb kann der Wirkungsgrad der Kupplung ziemlich hoch,
z. B. auf 1% bis 2o/0 Schlupfverlust, gehalten werden. Auch die im Umlauf befindliche
Olmenge ist wegen der kleinen Kupplung verhältnismäßig klein.
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Für die Versorgung der gesamten Abdampfanlage einschließlich Turbine
und Wellengetriebe mit Schmieröl, Kupplungsöl und Steueröl dient eine von dem Getriebe
6 angetriebene Ölpumpe i o. Eine elektrisch angetriebene Ölpumpe lod ist für den
Anfahrbetrieb vorhanden. Alles zurücklaufende 01
sammelt sich schließlich
an der tiefsten Stelle des Getriebegehäuses, von wo aus die Pumpe io oder lod das
Öl bei 13a absaugt und in üblicher Weise über ein Ölfilter ioa, ein Reduzierventil
ioc und einen Ölkühler tob nach einem Hochtank, der in einer Höhe von etwa 5 m über
der Propellerwelleiltnitte steht, drückt. Von hier läuft es den Schmierstellen und
der Flüssigkeitskupplung 5 zu. Das Steueröl wird mit etwa 2 at vor dem Reduzierventil
iol> abgezapft.
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Nachstehend seien nun unter Bezugnahme auf Abb. 8 einige Erläuterungen
über den Betrieb der Anlage gegeben.
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a) Anfahren der Dampfmaschine auf Voraus und ohne Abdampfturbine:
Der Handhebel H am Fahrstand stellt in Stellung I. Eine Verblockungseinrichtung
gibt Gewähr (vgl. Punkt 8), daß das Hauptdampfventil nur in der Hebelstellung I
geöffnet werden kann. Der Polumschalter 2o des Elektromotors ist durch Umsteuerhebel
J' auf Voraus gestellt. Die Umschaltklappe 15 der Turbine ist durch den Hauptsteuerkolben
22 und den Öldruck auf den Kolben eines Servomotors 1511 geöffnet. Ebenso ist die
Flüssigkeitskupplung 5 durch einen Servomotor 5a entleert. Der aus dem N iederdruckzviiiider
der Kolbenmaschine austretende Dampf strömt über die geöffnete Umschaltklappe 15,
also unter Umgehung der Turbine 2 durch den Abdampfbogen 12 in den Kondensator 13.
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b) Anfahren der Turbine: Der Handhebel H wird in die in Abb. 8 gezeigte
Stellung 1I gelegt. Durch den Steuerkolben 22 wird zuerst die Flüssigkeitskupplung
5 schnell gefüllt und die Umschaltklappe 15 langsam geschlossen. Die Turbine 2 arbeitet
nunmehr auf den Kondensator 13. Die von der Dynamo 3 entwickelte Energie wird von
dem Elektromotor 4 aufgenommen, dessen Leistung von der Flüssigkeitskupplung 5 und
dem Getriebe 6 auf die Propellerwelle 7 übertragen wird.
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Folgende Sicherheitsmaßnahmen sind für die Anlage der beschriebenen
Art vorgesehen: i. Sollte die Kraftübertragung der Turbine unvorhergesehenerweise
unterbrochen werden, z. B. durch Wellenbruch oder Stromloswerden der elektrischen
l`bertragung, so greift der Schnellschlußregler 23 ein. Durch den herausgetriebenen
Schlagbolzen des Reglers wird ein Steuerkolben 24 so verschoben, daß Drucköl auf
'den Kolben 25 tritt. Dieser in der Ruhestellung durch eine Feder in der oberen
Anschlagstellung gehaltene Kolben 25 wird nun nach unten gedruckt und verschiebt
den Steuerkolben 22 des Hauptsteuerventils in seine andere Endlage I, wodurch alle
Steuervorgänge für die Umschaltklappe 15 und die Flüssigkeitskupplung 5 vollzogen
werden, wie sie für das Fahren ohne Turbine und das Entleeren der Flüssigkeitskupplung
erforderlich sind. Der Handhebel H am Maschinenstand bleibt dabei in seiner Verklinkung
für die (vorhergehende) Betriebsstellung 1I (mit Turbine) vermöge der Wirkung des
Federschlosses 26 liegen. Sobald der \\'achhabende am Fahrstand
die
automatische Umschaltung gewahr wird, wird er zweckmäßig den Handhebel H in die
andere Endstellung I nachlegen, wodurch an dem soeben vollzogenen Steuervorgang
im Prinzip nichts geändert wird. Der Schnellschlußregler 23 wird dann wieder zurückgestellt,
worauf die Anlage von neuem angefahren werden kann.
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2. Sollte der Öldruck fortfallen, z. B. durch Rohrbruch, Verschmutzen
der Filtersiebe o. dgl., so tritt ein Sicherheitsservomotor 27 in Tätigkeit. Der
Kolben desselben wird bei Vorhandensein von Öldruck aus dem Hochtank in seine obere
Endlage gedrückt, wobei die Feder im Servomotor 27 gespannt wird. Bei Fortfall des
Öldrucks wird der Kolben durch die Federspannung heruntergedrückt, drückt den Kolben
25 mit herunter und den Hauptsteuerschieber 22 in die Stellung I für das Schließen
der Umschaltklappe 15 und Entleeren der Flüssigkeitskupplung 5. Dabei hat der mit
dem Kolben des Sicherheitsservomotors 27 verbundene Steuerkolben 4o den Ölablauf
von einem Ölakkumulator 41 freigegeben. Der Kolben desselben steht durch einen Dampfkolben
42, der stets unter Frischdampfdruck von der Kolbendampfmaschine steht, ständig
betriebsbereit. Das Rückschlagventi144 sorgt dafür, daß das Akkumulatordrucköl nicht
nach dem Ölkühler und weiter entweichen kann, sondern als Steueröl zur Verfügung
bleibt. Die Servomotoren 150 und 5a werden also nur durch das Akkumulatorendrucköl
gespeist. Das federbelastete Rückschlagventi144 ermöglicht andererseits auch, daß
der Akkumulator bei Fortfall des Ölinhalts im Zylinder 41 mit Hilfe der Ölpumpe
io oder iod und des auf etwas erhöhten Druck eingestellten Oldruckregulierventils
ioc jederzeit während des normalen Betriebes aufgepumpt werden kann, wenn der Druck
im Akkumulator höher ist als der normale Steuerdruck. Andernfalls füllt sich der
Akkumulator selbsttätig auf.
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Sollte im Falle des Auslösens des Schnellschlußreglers zufällig auch
der normale Steueröldruck fortfallen, so tritt der Akkumulator mit seiner unabhängigen
Kraftquelle (Dampfdruck) in Tätigkeit, um das unbedingt sichere und schnelle Offnen
der Umschaltklappe 15 bei betriebsunklarer Kraftübertragungsanlage sicherzustellen.
Zu diesem Zwecke ist noch die kurzgeschlossene (strichpunktierte) Druckölleitung
49 vorgesehen, die den Steuerkolben 22 umgeht. Der Kolben des Servomotors i 5a erhält
also Druckölzufluß durch zwei Leitungen. Die Flüssigkeitskupplung wird gleichzeitig
langsam entleert.
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3. Damit bei Fahrt mit Turbine (also StellungII) das Schließen der
Umschaltklappe 15 allmählich erfolgt, muß das vom Hauptsteuerkolben 22 kommende
Öl eine Drosseldüse 17,1 passieren, wodurch der Kraftkolben 15a langsam gehoben
wird. Das von der Oberseite des Kolbens 15a abfließende Steueröl läuft über den
Steuerkolben nach Leitung i9 ab. Der Servomotor 5a für die Flüssigkeitskupplung
5 erhält dagegen für den Vorgang des Kupplungsfüllens stets vollen Öldruck. Das
vom Servomotor 5a ablaufende 01 passiert das Rückschlagventil5c. Die Steuerzeit
für diesen Vorgang ist also kurz.
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4. Die Entleerung der Flüssigkeitskupplung bei Fahrt ohne Turbine
(Stellung I) vollzieht sich dagegen langsam. Das Steuerdrucköl passiert das Drosselventil
5d. Das vom Servomotor 511 ablaufende Steueröl passiert das Rückschlagventil5c und
läuft über Ventil 22 nach Leitung i9 ab.
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5. Das schnelle Offnen der Umschlagklappe 15 beim Abstellen der Turbine
(Stellung I) erfolgt dadurch, daß das Steueröl mit vollem Druck über den Kolben
i5a tritt und das von der Unterseite ablaufende 01 über das Rückschlagventil
18a und den Steuerkolben 22 durch Leitung i9 abläuft. Den gleichen freien Weg nimmt
das Steueröl beim Noteingriff durch den Schnellschlußregler 23 oder bei Ölmangel
und Inwirkungtreten des Kolbens 27.
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6. Aus Abb.8 ist die Verblockung des Hauptsteuerhebels H und
des Handhebels M für die Einstellung auf Vorwärts- und Rückwärtsgang ersichtlich.
Der Hebel H trägt eine Schildscheibe 28, welche einen Schlitz 28a aufweist. Am unteren
Ende der senkrechten Welle des Handhebels M ist eine Scheibe 29 mit zwei Schlitzen
befestigt, wovon ein Schlitz für die Vorausstellung und einer für die Zurückstellung
bestimmt ist. Der Handhebel H kann also in der Stellung Voraus und Zurück der Kolbendampfmaschine
bewegt werden, und zwar in die Endlage II für den Betrieb mit Turbine und in die
andere Endlage I für den Betrieb ohne Turbine. Der Handhebel 1l1 kann dagegen nur
umgelegt werden, wenn der Handhebel H sich in der Stellung I (oberen) für den Betrieb
ohne Turbine befindet, also bei stillstehender Dynamo und stillstehendem Motor,
demnach bei stromlosem elektrischem Kreis.
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7. Die Umsteuervorrichtung 31 für die Kolbendampfmaschine und der
Umsteuerhebel 11 der Abdampfturbinenanlage sind zwangsläufig miteinander, beispielsweise
durch eine Kegelradverbindung, gekuppelt. Diese Verbindung kann in besonderen Fällen
durch eine Ausrückvorrichtung 36 gelöst werden. In Abb.9 ist die Verblockung der
Steuerung der Abdampfturboanlage gegen die Steuerung derDampfmaschine, und umgekehrt,
dargestellt. Die horizontale Welle des Handhebels H trägt eine Scheibe
30 mit einem Schlitz 3oa. Auf der Welle3la des Umsteuerhandrades31 der Dampfmaschine
ist eine Scheibe 32 befestigt. Diese hat zwei Schlitze, und zwar einen Schlitz 32a
für die Voraus-Stellung und einen Schlitz 32b für die Zurück-Stellung der Umsteuerwelle
31a. Die Turbine kann also nur in der Stellung Voraus oder Zurück der Kolbendampfmaschine
in Betrieb genommen werden. Sollen z. B. die Kulissen der Dampfmaschine zwecks Fahrtverminderung
eingelegt werden, so muß vorerst der Hebel H in die Stellung I gebracht werden,
also die Stellung, in welcher die Turbine abgestellt ist.
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B. Die Scheibe 3o hat außerdem einen zylindrischen Kragen 3 ob mit
einem Ausschnitt 30c, der der Stellung I des Handhebels H entspricht. Ein Gewinde
auf der Spindel 3311 des Handrades 33 des Hauptdampfventils verstellt bei ihrer
Drehung
einen Zeiger 34, der bei geschlossenem Hauptdampfventil
unter dem Kragenrand 3 ob gegenüber dem Ausschnitt 30e stellt. Das Hauptdampfventil
kann also mir geöffnet «-erden, wenn der Handliebel H in Stellung 1 liegt, wenn
also die Turbine abgestellt ist.
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Sowohl der Sclinellschlußkolben 24 als auch der Hauptsteuerkolben
22 können jederzeit auf ihre Gängigkeit während des Betriebes oder bei Stillstand
der Anlage geprüft «erden; hierzu dienen z. B. die Handhebel 39 uficl 38.