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Verfahren und Einrichtung zum Anfahren von Rotationsläufern unter
Last, insbesondere für Schienenfahrzeuge Unter Rotationsläufern sind nachstehend
Kraftmaschinen gemeint, deren antreibendes Glied beispielsweise der Läufer einer
Dampfturbine, einer Gasturbine, gegebenenfalls einer Wasserturbine, der Anker eines
Elektromotors oder die Schwungmasse eines Verbrennungsmotors ist. Diese Rotationsläufer
können zwar alle unter Last anlaufen, jedoch nur mit schlechtem Wirkungsgrad unter
hoher Beanspruchung; ihr günstigster Wirkungsgrad liegt im hohen Drehzahlbereich.
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Beispielsweise ist bei einer Turbinenlokomotive die Turbine über eine
Blindwelle und Kuppelstange mit den Treibrädern starr gekuppelt. Bei langen Fahrten
mit hoher Fahrgeschwindigkeit sind hierbei Kohlenersparnisse gegenüber der gewöhnlichen
Lokomotive zu erzielen. Beim Anfahren und beim langsamen Fahren oder beim Rangieren
gehen diese Ersparnisse aber wieder verloren, da die nur bei hohen Drehzahlen mit
günstigem Wirkungsgrad arbeitende Turbine dann der einfachen Kolbendampfmaschine
unterlegen ist.
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Dies läßt sich vermeiden, wenn zwischen der Turbine und den Treibrädern
ein Wechselgetriebe eingeschaltet wird, so daß die Turbine immer mit der günstigsten
hohen Drehzahl laufen kann. Der Betrieb erfordert aber hierfür ein stufenlos regelbares
Getriebe.
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Als weiteres Beispiel sei das Einschalten von Elektromotoren unter
Last erwähnt. Die verbreitetsten Elektromotoren sind die einfachen Wechselstrom-
oder Drehstromsynchronmotoren (Kurzschlußläufer). Müssen diese Motoren unter
Last
"anlaufen oder handelt es sich um größere Motoren, so sind besondere Änlaßhilfen
erforderlich, um die Anlaßstromstärke zur Vermeidung einer Beschädigung der Motorwicklung
zu begrenzen. Eine Drehzahlregelung ist durchweg nicht vorhanden oder ist über einen
größeren oder den ganzen Drehzahlbereich mit elektrischen Mitteln ohne größere Verluste
nur schwer durchführbar. Bekannt ist hier die teure Ward-Leonard-Schaltung, bei
der die Antriebsmaschine als Gleichstrommotor ausgebildet ist, wobei dieser Maschine
ein von einem Drehstromsynchronmotor mit gleichbleibender Drehzahl angetriebener
Gleichstromgenerator vorgeschaltet ist.
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Es ist bereits ein ohne .Reibräder mit dauernd zwangsläufig im Eingriff
befindlichen Zahnrädern arbeitendes Getriebe bekanntgeworden, das ein dreiseitiges-
Getriebe mit Antrieb, Abtrieb und Regelung darstellt. Die Regelung wird hierbei
von einer selbsthemmenden oder fast selbsthemmenden Schnecke mit regelbarer Drehzahl
gesteuert, die von einem kleinen Elektromotor angetrieben wird. Mit der Verwendung
dieses Getriebes bei Rotationsläufern könnten bei gleichbleibender günstiger Drehzahl
alle Fahrgeschwindigkeiten erreicht werden, -da mittels der Regelschnecke die jeweils
notwendige Drehzahl des Abtriebs eingestellt werden kann. Wenn das Fährzeug stillsteht,
muß die Regelschnecke ebenfalls mit einer ganz bestimmten Drehzahl umlaufen. Die
Schwierigkeit der Verwendung eines solchen Getriebes bei Rotationsläufern besteht
nun darin, die richtige Drehzahl der Regelschnecke beim Anfahren einzustellen: Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren und Betrieb von vorzugsweise im hohen
Drehzahlbereich einen günstigen Wirkungsgrad aufweisenden, unter Last anlaufenden
Arbeitsmaschinen mit Rotationskörper, bei denen zwischen dem Rotationskörper und
der Abtriebswelle ein dreiseitiges, Antriebs-, Abtriebs- und Regelungsseite enthaltendes
Getriebe eingeschaltet. ist, dessen Regelungsseite mittels einer selbsthemmenden
oder fast selbsthemmenden Schnecke mit regelbarer Drehzahl gesteuert wird, insbesondere
für Schienenfahrzeuge, und besteht darin, däß vor dem Einschalten des Arbeitsganges
der Rotationskörper durch Einschalten der Regelschnecke bei stillstehender Arbeitswelle
etwa auf Leerlauf- oder Betriebsdrehzahl gebracht wird- und nach Erreichen dieser
Drehzahl bei gleichzeitigem oder vorherigem Absenken der Drehzahl, Auslaufen und/oder
Ausschalten der Regelschnecke der Arbeitsgang des Rotationskörpers eingeschaltet
wird.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt.
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Abb. i zeigt ein von einer Dämpfturbine angetriebenes Fahrzeug in
Seitenansicht, Abb. ia das Regelgetriebe im Schnitt; Abb.2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel
ein von einer Dampfturbine angetriebenes Fahrzeug in Draufsicht; Abb. 3 a zeigt
einen Elektromotor mit Regelgetriebe im Längsschnitt; Abb: 3 b zeigt einen Schnitt
in Richtung 3-3 der Abb. 3 a, Abb.4a einen Straßenbahnkontroller in Seitenansicht
und Abb.4b die Schaltscheibe zum Kontroller nach Abb. 4a.
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In Abb. i bedeutet I die Turbine, an deren Rotationskörper außerhalb
der Turbine eine Schnecke S gelagert ist, die von dem mit dem Rotationskörper umlaufenden
Hilfsmotor H angetrieben wird und die mit dem auf der Antriebswelle III angeordneten
Schneckenrad SR im Eingriff steht.
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Zur Inbetriebnahme des Fahrzeugs wird die Regelschnecke S durch Einschalten
des Elektromotors H in Umdrehung versetzt. Da die Abtriebswelle III stillsteht,
wird der Rotationskörper der Turbine I angefahren, bis derselbe etwa Leerlaufdrehzahl
erreicht hat, Der Turbine I kann hierbei gegebenenfalls ium Anwärmen und zur Unterstützung,
etwa durch eine Drosselscheibe, die Leerlaufdampfrnenge zugeführt werden. Ein mit
dem kötatiönskörper der Turbine I gekuppelter Regler regelt dabei die Drehzahl der
Turbine.
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Das Fahrzeug ist nun zum Anfahren unter Last bereit. Der Turbine wird
die notwendige Dampfmenge zugeführt, und zum nachfolgenden Anfahren wird die Drehzahl
der Regelschnecke S gedrosselt, in welchem Augenblick das Fahrzeug anfährt und seine
Höchstgeschwindigkeit erreicht; wenn die Schnecke S stillsteht. Um die Größe der
Anfahrbeschleunigung zu begrenzen und ein ruckweises Anfahren zu vermeiden, kann
auf der Achse der Regelschnecke S ein Massenschwungrad M angeordnet sein.
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Durch Regeln der Umlaufgeschwindigkeit der Regelschnecke S kann nun
jede beliebige Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs erreicht werden.
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Die Abb. 2 zeigt im Gegensatz zur Abb. i den Hilfsantrieb fest mit
dem Maschinengestell verbunden. Gleichzeitig zeigt diese Abbildung, wie die Anordnung
zu treffen ist, wenn zwei nebeneinander angeordnete Antriebsmaschinen mittels eines
Hilfsantriebs gesteuert werden.
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Zwischen dem Rotationskörper der Turbine I und der zu dem Triebrad
führenden Antriebswelle III ist das dreiseitige Drehzahiminderungsgetriebe als Planetengetriebe
mit dem Differentialgetriebekäfig DK eingeschaltet. Im Differentialgetriebekäfig
DK ist die in Achsrichtung angeordnete Regelschnecke S gelagert, die das Abwälzen
des Planetenrades steuert. Der Antrieb der Regelschnecke S erfolgt für die beiden
nebeneinander angeordneten Turbinen I gemeinsam von dem als feinregelbare Dampfturbine
ausgebildeten Hilfsantrieb H über je ein Hilfsdifferential D und je eine lose Zahnradscheibe
2.
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Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist folgende: Vor dem Anfahren
wird der Rotationskörper der Turbine I durch Anlassen der Hilfsturbine H auf Leerlaufdrehzahl
gebracht. Der Käfig des Hilfsdifferentials D wird von dem auf der Welle des Rotationskörpers
I festsitzenden
Zahnrad i festgehalten und damit die Drehbewegung
der Hilfsturbine H über das Hilfsdifferential D und die Zahnradscheibe a auf die
Regelschnecke S übertragen. Da die Antriebswelle III feststeht, wird der Rotationskörper
I gedreht, bis die Leerlaufdrehzahl erreicht ist. Die Maschine ist jetzt klar zum
Anfahren und wird durch Minderung der Drehzahl der Hilfsturbine H und damit der
Regelschnecke S angefahren. Bei Höchstgeschwindigkeit steht die Hilfsturbine H und
die Regelschnecke S still. Antrieb I und Abtrieb III ist hierbei direkt gekuppelt.
Die lose Zahnradscheibe a läuft hierbei genau so schnell um wie der Differentialgetriebekäfig
DK und damit auch wie die Antriebswelle I und Abtriebswelle III. Das Hilfsdifferential
läuft bei stillstehender Hilfsturbine H mit einer gewissen Umdrehungszahl um.
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Die Anordnung der Regelschnecke S mit Differentialgetriebekäfig
DK ergibt einen höchst erwünschten Reversiereffekt. Wenn nämlich nach Erreichen
der Anfahrbereitschaft der Maschine die Drehzahl der Hilfsturbine erhöht wird, fährt
die Maschine rückwärts. Höchstgeschwindigkeit wird hierbei erreicht, wenn die Hilfsturbine
H eine solche Drehzahl besitzt, daß der Differentialgetriebekäfig DK gegenüber
dem Maschinengehäuse stillsteht. Auch dieses kann mit der Regelschnecke S, also
mit geringer Antriebsleistung der Hilfsturbine H, verwirklicht werden. Damit entfällt
die Anordnung einer besonderen Rückwärtsstufe für die Hauptturbine I.
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Eine weitere Möglichkeit für die Anordnung eines Rückwärtsganges besteht,
wenn der Abtrieb III vom Differentialgetriebekäfig DK erfolgt. In diesem
Fall müßten in dem Planetengetriebe Sonnenräder von verschiedenem Durchmesser verwendet
werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 3 a und 3 b ist an dem Rotationskörper
eines Elektromotors ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. i eine Regelschnecke
S gelagert, die von dem mit dem Rotationskörper umlaufenden Hilfsmotor H angetrieben
wird und die mit dem auf der Abtriebswelle III angeordneten Schneckenrad SR im Eingriff
steht. Zum Anfahren des Elektromotors wird der Hilfsmotor H eingeschaltet und der
Rotationskörper I auf annähernd synchrone Drehzahl gebracht. Sobald diese Drehzahl
erreicht ist, wird der Hilfsmotor H ausgeschaltet und der Elektromotor mit Strom
aus dem Netz gespeist. Zur Begrenzung der Anfahrbeschleunigung kann auch in diesem
Fall auf der Welle der Regelschnecke S ein Massenschwungrad jll angeordnet sein.
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Zur Drehzahlregelung des Elektromotors kann der Hilfsmotor H in üblicher
Weise als Wechselstrommotor gesteuert werden. Der Hilfsmotor kann auch auf Gleichstrom
umgeschaltet werden, wobei der Gleichstrom hierzu von einem kleinen, an den Hauptmotor
angeschlossenen Gleichstromgenerator bezogen werden kann.
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Bei einer solchen Maschine ist das Fernanlassen und Fernsteuern leicht
möglich. So kann beispielsweise beim Fernanlassen die Anordnung so getroffen werden,
daß zuerst der Hilfsmotor H eingeschaltet wird, worauf nach einer bestimmten Zeit,
die für das Anfahren notwendig ist, das Einschalten des Elektromotors und das Ausschalten
des Hilfsmotors H erfolgt.
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Die Anordnung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere
bei elektrischen Fahrzeugen vorteilhaft. Solche elektrisch getriebenen Fahrzeuge,
beispielsweise Straßenbahnen, sind bisher trotz bekannter anderer Möglichkeiten
fast durchweg mit Gleichstrom betrieben worden. Es bedarf zur Anwendung der Erfindung
außer der Getriebeanordnung beispielsweise lediglich eines Kontrollers nach Abb.
q.a und q.b, wie er bei Straßenbahnen üblich ist. In der Stellung oo ist alles ausgeschaltet.
In der Stellung o wird der Hilfsmötor H eingeschaltet, das Fahrzeug ist fahrbereit.
In der Stellung i wird der Fahrmotor eingeschaltet. In den Stellungen i bis 6 wird
die Drehzahl des Hilfsmotors H allmählich bis auf o gedrosselt, wodurch die verschiedenen
Fahrgeschwindigkeiten des Fahrzeugs erreicht werden. Der Hilfsmotor H kann entweder
als Wechselstrommotor arbeiten, wobei beispielsweise durch Widerstandsregelung des
Ankerstroms die Drehzahl geändert wird, oder indem in der Stellung :2 auf Gleichstrom
umgeschaltet wird. Das Rückwärtsfahren kann leicht durch Umpolen mit einem besonderen
Schalthebel erreicht werden.
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In gleicher Weise können auch die Drehzahlen stationärer Anlagen stufenlos
geregelt werden. Das Anfahren nach der Erfindung kann auch für Verbrennungsmotoren
verwendet werden. An Stelle des Rotationsläufers erhält der Motor ein Schwungrad,
an dem der Hilfsantrieb angreift.