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Flugkolbenmaschine Flugkolbenmaschinen wären für gewisse Zwecke, z.
B. zum Antrieb von Kolbenverdichtern, Pumpen, hin und her gehenden elektrischen
Generatoren, vorbildliche Maschinen, da die Arbeitsübertragung unmittelbar durch
die Kolbenstange und oft selbst durch den gleichen Kolben erfolgt und alle bei der
ge-,vöhnlichen Kolbenmaschine zur Kraftübertragung und Lagerung erforderlichen Elemente,
wie Kreuzkopf, Schubstange, Kurbelwelle, Gestelle, Lager, Schwungrad usw., wegfallen.
Die unmittelbare Verbindung von Kraft- und Arbeitskolben gestattet auch die Anwendung
höchster Kolbendrücke, hoher Spielzahlen und Kolbengeschwindigkeiten. Diesen Vorteilen
steht jedoch ein Nachteil gegenüber, der die praktische Anwendung dieser Maschinenart
bisher nur auf ganz wenige Anwendungsfälle (Humphrey-Pumpe, Worthington-Pumpe) beschränkte.
Der Nachteil besteht in der Unregelmäßigkeit und Unbeherrschbarkeit des Kolbenspieles
und der daraus sich ergebenden Neigung zum Durchbrennen oder Stehenbleiben.
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Dieser Nachteil soll durch die vorliegende Erfindung behoben werden.
Die Erfindung besteht darin, daß die Bewegung (Hubweg und Hubzeit oder Spielzahl)
der hin und her gehenden Teile der Flugkolbenmaschine durch besondere Vorrichtungen
geregelt wird. Diese Vorrichtungen sollen selbst keine Kräfte nach außen übertragen
und nur dazu dienen, den Hub und die Spielzahl zu erzwingen, falls durch irgendwelche
Störungen ein Außertrittfallen der hin und her gehenden Teile einzusetzen droht.
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Die von der Flugkolbenmaschine zu leistende Nutzarbeit wird dagegen
in bekannter Weise vom Kolben unmittelbar an die von ihm anzutreibende Maschine,
die wiederum meistens eine Kolbenmaschine ist, abgegeben und in Form von Druckluft,
Druckwasser oder auch elektrischem Strom nach außen geliefert.
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Um von der für die Hubregelung vorgesehenen Vorrichtung gemäß .der
Erfindung andauernde und größere Kräfte abzuhalten, werden in weiterer Ausbildung
der Erfindung geeignete Mittel vorgeschlagen.
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So findet zum Unterschied gegenüber gewöhnlichen Kolbenmaschinen,
bei denen das Schwungrad über das Gestänge einen Ausgleich zwischen der in jedem
Zeitpunkte eines Hubes entwickelten und benötigten Arbeit schafft, bei der Maschine
nach der Erfindung der Ausgleich ganz oder zum größten Teil durch die Trägheit der
hin und her gehenden Massen allein statt. Die nicht sofort umgesetzte Energie aus
den treibenden Kolbenkräften wird in der Masse der hin und her gehenden Teile aufgespeichert
und unter Abnahme der Geschwindigkeit in einem späteren Zeitpunkte des gleichen
Kolbenspieles wieder abgegeben. Masse und Geschwindigkeit der hin und her gehenden
Teile sind also so zu bemessen, daß, wenigstens bei normaler- Belastung der Maschine,
die Trägheit derselben den Arbeitsausgleich ermöglicht. Fällt jedoch
ein
Arbeitsspiel aus, so soll die besondere Vorrichtung die Beschleunigung und Verzögerung
der Massen übernehmen und die Zuendeführung des Kolbenhubes erzwingen, bis wieder
der normale Betriebszustand erreicht ist. Die Energie hierfür wird #von einem Schwungrad
oder von dem Mdtor geliefert, der zur Bewegung dieser Vorrichtung vorgesehen ist
(nicht gezeichnet). Die Unterstützung der Bewegung der hin und her gehenden Teile
durch ein Schwungrad ist also auf die kurz dauernden und selteneren Fälle einer
Betriebsunregelmäßigkeit beschränkt; eine dauernde oder stetig vorkommende Übertragung
größerer Kräfte nach außen findet nicht statt. Die Organe, die die hin und her gehende
Bewegung der Kolben der z. B. gleichförmig drehenden Bewegung der Vorrichtung anpassen,
können somit auch ganz anders gebaut und bemessen sein als der Kraft übertragende
Kurbelantrieb der normalen Kolbenmaschine, besonders soweit es sich um Teile handelt,
die mit Rücksicht auf Auflagepressungen und Abnutzung bemessen werden.
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Es ist aber weiterhin noch folgendes zu beachten.
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Werden die frei beweglichen Kolben der Flugkölbenmaschine der Einwirkung
der bei der Entspannung der Treibgase auf sie wirkenden Kräfte überlassen, so werden
diese Teile ganz bestimmte, von ihrer Masse und den beschleunigenden und verzögernden
Kräften abhängige Geschwindigkeiten annehmen. Soll nun auf die den Gang dieser Bewegung
kontrollierenden Einrichtungen keine Kraft ausgeübt werden, so muß auch die Bewegung
der Angriffsstelle der hin und her gehenden Teile (Kolben) und diejenige der Regelvorrichtung
in Richtung der Kolbenbahn die gleiche sein. Besser als durch einen Kurbeltrieb
kann dies .durch besonders geformte, nockenartige Elemente erreicht werden. Ist
der Übertragungsteil beispielsweise als Scheibe ausgebildet und der äußere Umfang
zur Regelung der Kolbenbewegung verwendet, so ergibt sich als Scheibenumriß eine
ganz bestimmte Kurvenbahn, die um so mehr von einem Kreis (Exzenter) abweicht, je
verschiedener Beschleunigung und Verzögerung der hin und her gehenden Massen sind.
Wird der Übertragungsteil .ähnlich einem Taumelscheibenantrieb ausgeführt, so sind
die seitlichen Begrenzungswände der Geschwindigkeitskurve der hin und her gehenden
Teile anzupassen. Es läßt sich jedenfalls erreichen, daß die Berührungsdrücke im
normalen Betriebszustand vernachlässigbar gering werden. Für den Antrieb der Regelvorrichtung
genügen sie auch dann noch. Um die Regelvorrichtung in gleichmäßigem- Gang zu erhalten,
wird sie mit einem Schwungrad versehen, das, wie oben bereits erwähnt, auch die
Energie zur Nachhilfe im Falle von Störungen liefert. Die Bewegung der Regelvorrichtung
läßt sich auch durch einen Motor besorgen, dessen Drehzahl beispielsweise durch
besondere Mittel festgelegt wird. Zum Antrieb kann ein Elektromotor, eine Turbine
oder auch eine Transmission dienen. Durch Änderung der Drehzahl der Antriebsvorrichtung
ist dann die Spielzahl der Flugkoibenmaschine und damit die Leistung derselben zu
regeln.
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Die Maschine ist besonders geeignet zur Verarbeitung sehr hoher Drücke.
Für Brennstoffgemische kann das Verpuffungs- oder das Gleichdruckverfahren Anwendung
finden. Mit Vorteil wird man mit hohen Aufladedrücken arbeiten. Aus betriebstechnischen
und Konstruktionsgründen scheint diese Flugkolbeninaschine für die Verbrennung von
Kohlenstaub besonders geeignet.
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In der Zeichnung sind drei Beispiele von Flugkolbenmaschinen gemäß
der Erfindung in den Abb. i, 3 und 5 im Längsschnitt schematisch dargestellt. Die
Abb.2 und 4 zeigen Arbeitsdiagramme und Kurven zur Erklärung der Arbeitsweise der
Maschinen: Abb. r- zeigt den allgemeinen Aufbau einer Flugkolbenmaschine gemäß der
Erfindung. Es sind r und 2 die Arbeitszylinder, 3 und 4 z. B. zwei Verdichterzylinder.
In den Zylindern können sich die zu einem Stück vereinigten Kolben 5 und 6 hin und
her bewegen. Ihre Bewegung wird durch irgendein Treibmittel herbeigeführt, z. B.
durch Dampf, Druckluft oder sich entspannende Gasgemische. Die geleistete Arbeit
wird in Form von Druckluft aus den Verdichterzylindern erhalten; mechanische Arbeit
wird nach außen nicht abgegeben. Folgt die Bewegung der Kolben auch im wesentlichen
frei unter dein Einfluß der Kolbenkräfte, so soll sie doch auch einer gewissen Kontrolle
unterstehen, durch welche im Falle von Unregelmäßigkeiten Hubweg und Hubzeit (Spielzahl)
zwangläufig geregelt werden. Die hierzu dienende Vorrichtung besteht in dem Beispiel
Abb. r aus einer exzentrischen Scheibe 7, die sich zwischen zwei im Innern der Kolben
gelagerten Rollen 8 und 9 gleichförmig dreht. Da diese Scheibe keine oder nahezu
keine Arbeit überträgt, sind auch die Auflagedrücke zwischen Scheibe und Rolle sehr
klein, und zwar um so kleiner, j e mehr sich die Bewegung des Scheibenumfanges der
Bewegung des frei fliegenden Kolbens anpaßt. Bleibt der Kolben zurück, so wird er
von der Scheibe, die entweder von einem besonderen Motor oder durch die Energie
eines Schwungrades, das auf der Welle der Scheibe sitzt (nicht gezeichnet), in gleichförmiger
Drehung erhalten
wird, mitgenommen. Die hierbei am Scheibenumfang
auftretenden Kräfte können dann sehr groß sein, dauern aber nur kurze Zeit an. Es
kann deshalb mit hohen Auflagepressungen gerechnet werden.
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Um die Auflagedrücke im normalen Betriebszustand fast auf Null zu
vermindern, müssen einerseits die Massen der hin und her gehenden Teile, denen durch
die Kolbendrücke eine bestimmte Geschwindigkeit erteilt wird, entsprechend bemessen
sein, andererseits muß dem Umriß der Scheibe eine solche Form gegeben werden, daß
auch bei gleichförmiger Drehung der Scheibe die Geschwindigkeit des Berührungspunktes
auf der Scheibe in Richtung der Kolbenbahn gleich- groß ist wie die jeweilige Geschwindigkeit
der Kolben unter dem Einfluß der Kolbenkräfte. Es ist hierbei zu beachten, daß -auch
durch besondere Bemessung der sogenannten schädlichen Räume der Verdichterzylinder
eine Unterstützung der Kolbenbewegung und ein gewisser Ausgleich für die Ungleichheiten
der Kolbendrücke in den Arbeitszylindern geschaffen werden kann.
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In Abb. 2 sind zur Erläuterung die Druck-und Geschwindigkeitsverläufe
für die Arbeitszylinder und die gegenüberliegenden Verdichterzylinder für einem.
Hub in Funktion des Kolbenweges dargestellt. Es ist z. B. i i das Diagramm der Kolbenkräfte
des Arbeitszylinders, der beispielsweise als Gleichdruckbrennkraftmaschine mit hoher
Aufladung betrieben sein soll. 12 ist das Diagramm des Kolbenverdichters. 13 ist
die Arbeitsfläche der rückentspannten Gase aus dem schädlichen Raume und die rückgewinnbare
Arbeit des Aufladegebläses. Um nun die Massen der hin und her gehenden Teile und
deren jeweilige Geschwindigkeit zu bestimmen, sind in bekannter Weise die gesamten
treibenden Kräfte und die gesamten Widerstandskräfte aufzutragen. Die treibenden
Kräfte, die sich in vorliegendem Beispiel aus den Drücken der expandierenden Verbrennungsprodukte,
der Rückexpansion der Luft aus dem schädlichen Raum des zweiten Verdichters und
dem Ladedruck des Aufladegebläses zusammensetzt, sind mit i4., die Widerstandslinie,
die aus dem Verdichtungs- und Ausschubdruck des Verdichters, der Verdichtung des
Verbrennungsgemisches im zweiten Arbeitszylinder und der gesamten Kolbenreibung
besteht, ist mit 15 wiedergegeben. Die von beiden Kurven eingeschlossenen Flächen
sind die Arbeitsflächen, die sowohl die Geschwindigkeit 16 als auch die Massen der
hin und her gehenden Teile bestimmen.
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Für die Formgebung der Regelvorrichtung der Kolbenbewegung ist diese
Geschwindigkeitskurve maßgebend. Aus ihr läßt sich die Abwälzbahn sowohl für eine
Scheibe, bei welcher der Außenumriß zur Regelung benutzt wird, als auch für eine
Scheibe, die mit ihren Seitenflächen die Bewegung der Kolben kontrolliert, herleiten.
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Im allgemeinen wird man nicht eine Flugkolbenmaschine allein betreiben,
sondern man wird mehrere nebeneinanderbauen, wobei die Kolbenstellungen durch die
Vorrichtung so versetzt werden, daß ein Massenausgleich herbeigeführt wird. Eine
solche Anordnung ist in Abb.3 dargestellt. Hier erfolgt die Führung der Kolbenbewegung
durch Rollen 26, die auf den Seitenflächen einer sogenannten Taumelscheibe 24 abrollen.
Es sind 21 die Arbeitszylinder, 22 die Verdichterzylinder, in denen sich die Kolben
23 hin und her bewegen. Die Hubkontrolle erfolgt durch die genannte Taumelscheibe
24. Am Wellenende 25 kann ein Motor zur Aufrechterhaltung der verlangten Drehbewegung
oder auch lediglich ein Schwungrad angebracht werden (nicht gezeichnet). Die Übertragung
der Kräfte im Falle von Unregelmäßigkeiten der Kolbenbewegung erfoigt durch die
Rollen 26, die, entsprechend der verschiedenen Umfangsgeschwindigkeiten der Scheibe
gegen den inneren und äußeren Rand zu, konisch geformt sind. Die kegelige Form gestattet
auch ein leichtes Nachstellen der Rollen. Die Pfeile 27, 28, 29 geben die Strömungsrichtung
des Treibmittels an. Wird die Flugkolbenmaschine beispielsweise als Hochdruckstufe
einer .Gasturbinenanlage benutzt, so tritt bei 27 die in einem Aufladegebläse verdichtete
Luft in den Kolbenverdichter, wird dort auf höheren Druck gebracht und als Spül-
und Ladeluft in die als Zweitakt - Gleichdruck - Brennkraftmaschine arbeitenden
Arbeitszylinder 2 1 durch Leitung 28 übergeschoben. Die noch hochverdichteten, durch
die Spülluft aber auf ein zulässiges Maß abgekühlten Abgase verlassen bei 29 die
Arbeitszylinder, um nun in einer Gasturbine die Nutzarbeit zu liefern.
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Auch diese Anordnung der Flugkolbenmaschine läßt sich leicht so einrichten,
daß die Bewegung der Scheibe die freie Flugbewegung der Kolben fast vollständig
zuläßt. Zu diesem Zwecke wird die Kegelform der beiden Seitenwände so ausgebildet,
daß ihre Abwicklung mit der Flugbewegung der- Kolben übereinstimmt. Ist die Scheibe
beispielsweise eine schräg stehende ebene Fläche, so ist die von ihr erzwungene
Kolbenbewegung eine reine Sinuslinie. Um eine der freien Flugbewegung ähnelnde Kurve
zu erhalten, ist die Fläche zu wölben. Abb. d. zeigt den Unterschied beider Fälle.
Es ist Kurve 31 die Geschwindigkeitskurve des Kolbens in Abhängigkeit vom Kolbenweg,
wie sie bei
einer ebenen Taümelscheibe entsteht. 32 ist die Geschwindigkeitskurve
unter dem Einfluß der Kolbenkräfte. Kurven 33 und 34 geben die zugehörigen Bewegungen
eines Punktes auf der Scheibe in Hubrichtung wieder.
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Abb. 5 zeigt eine für die vorliegende Maschine besonders günstige
Anordnung der Kraftzylinder, und zwar ebenfalls für Zweitakt-Gleichdruck-Brennkraftmaschinen.
Bei Anwendung hoher Vorverdichtung und Auspuff: bei hohen Gegendrücken ergeben sich
auch bei verhältnismäßig großen -Leistungen sehr kleine Zylinderabmessungen. Die
hohe Vorverdichtung bewirkt ferner verhältnismäßig große Verdichtungsräume. Beide
Tatsachen machen die an sich bekannte Doppelkolbenanordnung, bei welcher ein' Zylinder
nur mit Spülschlitzen, .der andere nur mit Auspuffschlitzen versehen ist, besonders
vorteilhaft. Es sind 41 und 42 ,die beiden Arbeitskolben, die von dem gemeinsamen
Verdichterkolben 43 getragen `werdeh. 44- sind die Spülschlitze, 45 die Auspuffschlitze.
Der Verdichtungsraum 46, in den bei '47 die Einspritzdüse einmündet, bildet eine
für die Verbrennung denkbar. . günstige @ Form. Die Einlaßventile 48 und die Auslaßventile
49 des Verdichters können außerhalb der Zylinderkörper angeordnet werden, da, wie
im vorstehenden erwähnt würde; 'der Verdichter einen gewissen schädlichen Raum besitzen
soll und' sich daher ein - Verlegen der Ventile in die Zylindenvän.de erübrigt:
Die Ventile können selbsttätig arbeiten, aber auch mit einer Steuerung versehen
sein, die von der Regelvorrichtung aus bedient wird. ' so ist der Sammelbehälter
für die Druckluft, die als Spül= und Ladeluft für-die Brennkraftmaschine verwendet
wird. 51 ist der Behälter, in .den das Aufladegebläse die"vorverdichtete Luft liefert.
-Die-mit :der Spül-Luft getnisdhten Abgase gehen bei 5i zur Gasturbine, um üort'
die Nutzarbeit abzugeben.