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Die vorliegende Erfindung bezieht sieh auf Wasserkraftmasehinen, bei welchen der Druck einer Wassersäule mittels in Zylindern eingespannter elastisch-federnder biegsamer Membrankolben in Arbeit umgewandelt wird. Man hat bisher derartige Motoren in der auch bei Kolbenpumpen und Wasserturbinen allgemein üblichen Weise dadurch geregelt, dass man den Durch- flussquerschnitt für das Wasser gegenüber der normalen Öffnung 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 Strömung-un Reibungsverluste bei verengtem Querschnitt der Wirkungsgrad der Kraftmaschine bedeutend verschlechtert wird.
Die Erfindung besteht nun darin, dass die Regelung der Kolbenkraftmasehine nicht durch Veränderung des Querschnittes für den Wasserzufluss, sondern im Gegenteil bei konstantem Wasserzuflussquerschnitt durch Veränderung des Kolbenhubs erfolgt. Eine solche Hubregelung bewirkt im Gegensatz zur Querschnittsregelung selbst bei stärkster Über-oder Unterbelastung keine nennenswerte Verschlechterung des hydraulichen Wirkungsgrades. Das Wesentlichste der vorliegenden Erfindung ist darin zu erblicken, dass die Veränderung des Kolbenhubs mit Hilfe der elastischen Durchbiegung der Kurbelwelle unter dem Einfluss der Fliehkraftwirkung exzentrisch angeordneter Schwungmassen bewirkt wird.
Die Verwendung der elastischen Wellenverbiegung zum Zwecke der Hubregelung gründet sich auf folgende physikalische Grundlagen. Bei der elastischen Durchbiegung y einer Welle unter dem Einfluss der Fliehkraft einer um den Betrag e exzentrisch angebrachten Masse 1n ist diese Fliehkraft von der Grösse
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worin tu die Winkelgeschwindigkeit der Welle ist.
Diese Fliehkraft ruft in der durchbogenel1 Welle die gleich grosse. aber entgegengesetzt gerichtete elastische Gegenkraft
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hervor, so dass die Gleichgewichtsbedingung besteht
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woraus sich die Durchbiegung
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ergibt.
a ist dabei ein Faktor, der von den Abmessungen der Welle und der Art der Lagerung
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diese" kritische Winkelgeschwindigkeit"
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Wird durch irgendwelche Mittel dafür Sorge getragen, dass man diese kritische Geschwindigkeit ohne Gefahr der tatsächlichen Ausbildung einer unendlichen, überhaupt einer übermässigen
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Wellendurchbiegung überschreiten kann, so stellt sich hierauf ein neuer stabiler Gleichgewichtszustand ein, bei welchem die Wellendurchbiegung entgegengesetzte Richtung hat, entsprechend dem Vorzeichen = Wechsel-von y in Gleichung (4) für einen negativen Wert des Nenners ( < x-WM).
Führt man die kritische Geschwindigkeit gemäss Gleichung (5) in die Gleichung (4) ein, so ergibt sich
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d. h. bei Drehgeschwindigkeiten unterhalb der. kritischen " hat die elastische Wellendurch- biegung denselben Richtungssinn wie die Exzentrizität der Masse m, bei höherer Drehgeschwindigkeit als der. kritischen " dagegen ist die Wellendurchbiegung der Exzentrizität der Masse m entgegengesetzt gerichtet, die Masse m hat also nicht mehr das Bestreben, ihre Exzentrizität zu vergrössern, sondern um ihren eigenen Schwerpunkt zu rotieren, was bei w == ou erreicht wird, da alsdann y =-e.
Diese Erscheinung passt vorzüglich zu der Forderung einer Hubregelung, das bei steigender Drehzahl der Hub kleiner werden muss, d. h. eine der vorhandenen Exzentrizität der Kurbel oder des Exzenters entgegengesetzt gerichtete Wellendurchbiegung eintreten soll.
Die Verhinderung aller andern als der zur Regelung erforderlichen Wellenverbiegungen, z. B. derjenigen infolge des durch die Pleuelstangen auf die Welle übertragenen Wasserdrucks, erfolgt entweder durch geeignete Ausgleichsschwungscheiben oder durch symmetrische Anordnung von mehr als zwei Zylindersternen, deren unter dem Einfluss des Wasserdrucks gegen die Kolben auf die Welle wirksamen Biegungsmomente sich gegenseitig aufheben.
Zweckmässig werden die etwa angewendeten Ausgleichsscheiben mit einem zum Teil mit Quecksilber gefüllten Hohlraum versehen zum selbsttätigen Ausgleich der 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.
Ist ein genau zentrisch rotierender Hohlzylinder teilweise mit einer Flüssigkeit, z. B.
Quecksilber gefüllt, so wird während der Rotation, einerlei ob unterhalb oder oberhalb der kritischen Drehzahl, der Quecksilberspiegel die Gestalt eines zum Hohlzylinder konzentrischen Zylindermantel annehmen. Wird jedoch durch irgendeinen von aussen gegen die Welle gerichteten Kraffimpuls die zentrische Lage des rotierenden Hohlzylinders gestört, so wirkt unterhalb der kritischen Drehzahl eine solche teilweise Quecksilberfüllung in dem Sinne, dass die Exzentrizität des rotierenden Hohlzylinders unter dem Einfluss der Fliehkraft der Quecksilbermasse 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 entgegengesetzt gerichtet ist.
Da nicht nur die Welle, sondern auch die durch die Pleuelstangen mit ihr verbundenen Membrankolben erfindungsgemäss als elastischfedernde 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 beein- flussenden Kraftaufwand erfordert.
Eine Weiterung der vorstehend gekennzeichneten Anordnung und ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist die Entlastung der Welle von den gegen sie auf Verbiegung hinwirkenden Wasserdruckkräften und die Regelung der Maschinenumlaufzahl durch die nachstehend beschriebene Anordnung. Diese Neuerung besteht darin, dass bei Verwendung von nur einem einzigen Zylinderstern dessen Pleuelstangen je zur Hälfte wechselweise mit dem mittleren, bzw. den beiden äusseren von drei symmetrisch zur WeUenmitte und um 1800 gegeneinander versetzten Antriebsexzentern oder-kurbeln verbunden sind, wobei die Steuerung des Wasserzubzw. abflusses so geregelt ist, dass je zwei um 1800 versetzte Zylinder im gleichen Sinne beeinflusst werden.
Zum Zwecke der Regelung wird zweckmässig die Welle der Länge nach gespalten, so dass sie zwei an den Enden miteinander verbundene Federn bildet, von denen die eine mit dem mittleren, die andern mit den beiden symmetrisch angeordneten äusseren Antriebsexzentern verbunden ist. Die zur Regelung erforderlichen Durchbiegungen der beiden Wellenteile werden erzeugt durch je zwei an jedem Wellenteil symmetrisch zur Wellenmitte
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angebrachte exzentrische Schwungmassen, deren Exzentrizität verstellbar und entsprechend der älteren Anmeldung mit der Drehzahl veränderlich ist.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die Wasserkraftmaschine, während Fig. 2 einen Querschnitt darstellt. Fig. 3 und 4 zeigen eine der zur Regelung verwendeten Schwungmassen in Seiten-und Stirnansicht. Fig. 5 und 6 sind ein Querschnitt und eine Seitenansicht einer andern zum Ausgleich des gegen die Welle wirkenden Wasserdrucks dienenden Exzenterscheiben, während Fig. 7 die gegenseitige Anordnung der Regel-und Ausgleichsschwungmassen auf der Antriebswelle zeigt. Fig. 8 einen teilweisen Achsenschnitt. Fig. 9 einen mittleren Querschnitt.
Die Wasserkraftmaschine besitzt in an sich bekannter Weise z. B. zylindrische Arbeitsräume a, während die Arbeitskolben aus an ihrem Umfang eingespannten Membranen b bestehen. Diese arbeiten mittels Pleuelstangen e, die an einen Ring d angelenkt sind, auf die
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beide durch auf der Welle befestigte Drehschieber i gesteuert und stehen mit den Arbeitsräumen, den Zylindern a durch Rohrleitungen A und in Verbindung. Erfindungsgemäss ist die Welle f in allseitig verschwenkbaren Lagern m gelagert, so dass sie sich, ohne zu klemmen. durchbiegen kann, während zwischen den die Schieber i tragenden Wellenteil n und die biegsame Arbeitswelle f eine oder mehrere nachgiebige Kupplungen o eingeschaltet sind.
Die Erfindung besteht nun darin, dass die Welle f derart biegsam gemacht und mit exzentrischen Massen besetzt wird, dass der Hub der Membrankolbon 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 Exzenterscheiben p gebildet, deren Exzentrizität zweckmässig einstellbar ist. So bestehen diese zur Hubregelung dienenden Exzenter p, z. B. wie in Fig. 3 und 4 gezeigt ist, aus einem verschiebbaren Gewicht von der Form eines geschlossenen Rahmens, der auf einem auf der Welle f sitzenden Gleitstück r geführt ist.
Das Gleitstück r trägt beiderseits auf Schraubenspindeln s verstellbare Widerlagerscheiben t, gegen die sich Federn K stemmen, deren andere Enden gegen den Rahmen p anliegen. Durch Verstellen der Widerlagerscheiben t auf ihren Spindeln kann die Exzentrizität der Exzenterrahmen p beliebig geändert werden.
Um die gegen die Welle wirkenden Wasserdruckkräfte, sowie ihre durch Gefälleschwankungen des Treibmittels hervorgerufenen Schwankungen ausgleichen zu können, sind weitere Ausgleichsscheiben g vorgesehen, deren Massenschwerpunkt entsprechend dem Gefälle verlegt wird. Eine solche Ausgleichsscheibe ist z. B. in Fig. 5 und 6 gezeigt. Die Ausgleichsscheibe besteht aus einem Gehäuse v, das mit einer Nabe 1 (' auf der Welle f befestigt ist. Von
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wachsendem Druck entgegen der Federwirkung 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.
Naturgemäss bilden die Richtungen der Exzentrizität der Regelungsseheibenp und der Ausgleichsscheiben q normalerweise einen Winkel von 900.
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 Ausgleichsscheiben q einen sichelförmigen 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 Membrane 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.
Hiebei handelt es sich um Schwankungen sowohl hinsichtlich der Grösse als der Richtung dieser Resultierenden, indem diese Resultierende bei z in einen Zylinderstern vereinigten Zylindern während jeder Wellenumdrehung z Maxima und z Minima aufweist, sowie gleichzeitig s-mal um einen bestimmten kleinen Winkelbetrag 0 : 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 Ausgleichscheiben q (Fig. 5 und 6) selbsttätig ausgeglichen werden, wie aus den bereits oben erläuterten physikalischen Grundlagen dieser Anordnung ohne weiteres hervorgeht.
Da diese Ausgleichsscheiben q mit einer erheblichen Exzentrizität auf der Welle f angeordnet sind, kann sich dieser selbsttätige Ausgleich nur in der allgemeinen Richtung dieser
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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 Wellendurchbiegungen.
Bei der in Fig. 8 und 9 gezeigten Ausführungsform sind die Pleuelstangen ei bzw. C2 der nicht gezeichneten Membrankolben der einzelnen Zylinder wechselweise an die Ringe di bzw. d2 angelenkt u. zw. wirken die mit dem Ring verbundenen Pleuelstangen ei auf einen mittleren Antriebsexzenter ei, während die an den umschliessenden Ring d2 an gelenkten Pleuelstangen C2 auf zwei Exzenter C2 wirken, die symmetrisch zur Wellenmitte und um 180 gegen Exzenter ei versetzt auf der Welle f befestigt sind.
Es arbeitet also die eine Hälfte ci der Pleuelstangen auf den mittleren Exzenter ei, während die andere Hälfte C2 auf die äusseren Exzenter C2 wirkt, so dass auf jede dem mittleren Exzenter ei zugehörige Pleuelstange ci eine den beiden äusseren e2 zugehörige Pleuelstange ( : 2 erfolgt. Wenn man nun die Wasserzufuhr bzw.-abfuhr der einzelnen Zylinder so steuert, dass die Wasserführungen von je zwei um 1800 versetzten Zylindern gleichzeitig und im gleichen Sinne diejenigen von zwei benachbarten Zylindern dagegen mit der ihrer gegenseitigen Stellung entsprechenden Phasenverschiebung und entgegengesetzt gesteuert werden, so werden die auf die Welle einwirkenden Pleuelstangenkräfte einander in jedem Augenblick aufheben.
Zum Zwecke der Regelung des Kolbenhubs entsprechend der Drehzahl der Welle l'wird diese der Länge nach zwischen den beiden Lagern m gespalten, so dass sie aus zwei an den Enden verbundenen elastisch biegsamen Federn fi und 1'2 mit einem dazwischenliegenden Spalt besteht. Der Wellenteil fl trägt den Exzenter et, während der Wellenteil f2 die beiden
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Aussparung für den Durchgang des freien nicht mit ihm verbundenen Wellenteils und dessen elastisch federnde Durchbiegung unter dem Einfluss der aufgesetzten Schwungmassen.
Die zur Regelung der Maschine erforderlichen elastischen Durchbiegungen der Wellenteile fi und f2 werden erzeugt durch je zwei an jedem Wellenteil symmetrisch angebrachte exzentrische Schwungmassen pi bzw. p, deren Exzentrizität verstellbar und mit der Drehzahl veränderlich ist, wie schon vorher beschrieben. Ihre Massen, Exzentrizitäten und ihre Entfernungen von der Wellenmitte sind so bemessen, dass die Grösse der durch sie erzeugten federnden Durchbiegungen der Wellenteile fi und f2 stets der zur Regelung erforderlichen Hubänderung entsprechen. Diese Durchbiegungen der beiden Wellenteile sind einander stets entgegengesetzt gerichtet und bewirken daher gleichzeitig eine Verkleinerung oder eine Vergrösserung des Hubes der mit ihnen verbundenen Membrankolben.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Wasserkraftmaschine mit sternförmig angeordneten Zylindern und axial darin sich bewegenden Membrankolben, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einer höheren als der kritischen Drehzahl umlaufende Welle sowie die Membrankolben als elastisch biegsame Federn ausgebildet sind und unter Vermittlung der Pleuelstangen miteinander ein unter der Wirkung geeignet geregelter Massenfliehkräfte stehendes elastisches Schwingungssystem bilden.