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Turbinengetriebene Lokomotive.
Vorliegende Erfindung bezieht sieh auf turbinengetriebene Lokomotiven und hat zum Zweck, eine derartige Lokomotive besonders guter Betriebswirtehaftlichkeit herbeizuführen. Ferner wird ermöglicht, eine derartige Lokomotive mit grosser Kapazität zu bauen. Zu diesem Zweck wird die Loko- motive nach der Erfindung derart konstruiert, dass der'Wirkungsgrad der Turbine am grössten ist bei einer Geschwindigkeit der Lokomotive, welche geringer ist als die grösste zulässige Geschwindigkeit der Lokomotive auf der Bahnlinie (zweckmässig 0'25-0-75 davon).
Ein besonderer Zweck der Erfindung ist, eine wirtschaftliche Turbinenlokomotive ohne Konden- sator herbeizuführen. Mit den bisher gebauten, mit Kondensator versehenen Turbinenlokomotiven war man hauptsächlich bestrebt, eine Ersparnis an Wasser und einen herabgesetzten Brennstoffverbrauch zu erreichen. Es hat sieh indessen gezeigt, dass die durch den Kondensator zu erreichende Ersparnis in Ländern mit verhältnismässig niedrigen Brennstoffkosten nicht immer den gesteigerten Herstellungs- kosten entspricht, die durch den Kondensator verursacht werden.
Dieser hat somit seine grösste Be- deutung in Ländern, wo der Vorrat an reinem Wasser gering ist und eine Verminderung oder Elimination des Wasserverbrauchs erstrebt ist, während in Ländern, wo der Wasservorrat reichlich ist und die Brenn- stoffkosten niedrig sind, der Kondensator geringe oder gar keine Bedeutung hat. Auch in Ländern mit gutem Brennstoffvorrat wird eine Brennstoffersparnis erstrebt, jedoch in solcher Weise, dass sie sich als eine Ersparnis bei der Amortisation der Lokomotive geltend machen wird. Es ist somit nicht früher möglich gewesen, turbinengetriebene Lokomotiven zu bauen, die in allen Fällen den erstrebten wirtschaftlichen Gewinn zu geben vermochten.
Die Erfindung wird auf den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht, wobei Fig. 1 Leistungund Wirkungsgradkurven für verschiedenartige Lokomotiventypen zeigt und Fig. 2 zwei verschiedene Wirkungsgradkurven für eine Lokomotivturbine darstellt.
Die in Fig. 1 und 2 gezeigten Kurven geben die Verhältnisse bei den verschiedenen Dampfmotoren bei Vollast und bei den betreffenden Geschwindigkeiten an. In Fig. 1, in welcher die Abszisse die Geschwindigkeit der Lokomotive und die Ordinate die indizierte Leistung des Dampfmotors darstellen, bezeichnet Kurve l die indizierte Leistung einer Kolbenmaschine bei verschiedenen Lokomotivgeschwindigkeiten. Bis auf den einer gewissen Geschwindigkeit B'entsprechenden Punkt B auf der Kurve arbeitet die Kolbenmasehine mit konstanter Füllung und schwankender Dampfmenge, während die Füllung bei grösseren Geschwindigkeiten mit der Geschwindigkeit der Lokomotive schwankt und gleichzeitig die Dampfmenge konstant bleibt.
Die Kurve zeigt, dass die indizierte Leistung der Kolbenmasehine und damit ihr Wirkungsgrad mit der Geschwindigkeit der Lokomotive gesteigert wird und bei derjenigen Geschwindigkeit C"am grössten ist, die der grössten zulässigen Geschwindigkeit der Lokomotive auf der Bahnlinie entspricht.
Die Kurve D ist die Leistungskurve für eine gemäss der Erfindung ausgeführte Lokomotivturbine, die mit demselben Anfangsdruck und derselben Anfangstemperatur arbeitet wie die Kolbenmaschine der eben beschriebenen Lokomotive. Aus der Kurve geht hervor, dass die grösste Leistung am Punkt E erhalten wird. Die Kurve (J dagegen entspricht der indizierten Leistung einer ebenfalls nach der Erfindung ausgeführten Lokomotivturbine mit höherem Anfangsdruck und höherer Anfangstemperatur als die früher beschriebenen Maschinen. Die grösste Leistung wird hier an einem Punkt H erhalten.
Aus den beiden letzteren Kurven geht hervor, dass die grössten Leistungen und somit Wirkungsgrade bei
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Geschwindigkeiten E', H'erha1ten werden, welche geringer sind als die eben erwähnte Haximal- geschwindigkeit 0'. Dabei ist zu bemerken, dass die Kurven, welche die indizierte Leistung der Turbinen angeben, für eine konstante Dampfmenge entworfen sind.
Bei ortsfesten Dampfkraftanlagen, wo die Geschwindigkeit der Maschine stets konstant ist und mit der maximalen Geschwindigkeit übereinstimmt, muss der grösste oder beste Wirkungsgrad des Dampfmotors bei seiner normalen, d. h. maximalen Geschwindigkeit erhalten werden. Bei Lokomotiven werden andere Forderungen an den Dampfmotor gestellt, weil derselbe verhältnismässig selten fiir die maximale Geschwindigkeit betrieben wird. Die normale Geschwindigkeit liegt erheblich unter dieser maximalen Geschwindigkeit und schwankt auch beträchtlich. Gemäss den hier hervorgehobenen Gesichtspunkten wird die Turbine nach der Erfindung in solcher Weise konstruiert, dass sie ihren grössten Wirkungsgrad in der Nähe derjenigen Geschwindigkeiten erhält, mit welchen sie im allgemeinen betrieben wird.
Die Erfahrung zeigt, dass diese Geschwindigkeiten zwischen 1/4 und 3/4 der maximalen Geschwindigkeit schwanken.
Um eine Lokomotivturbine mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten, sollen die Gesehwindigkeitsquadratsumme und das Wärmegefälle des Dampfes in der Turbine geteilt ein Verhältnis
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zahl der Turbine genannt. Zweckmässig muss die Geschwindigkeitsquadratsumme E 1t2 grösser als 600.000 sein. In beiden Fällen ist 1b in Meter pro Sekunde absoluter Geschwindigkeit gemessen. Der Wärme- fall X wird in Kalorien gemessen.
Die in Fig. 2 gezeigten Turbinenkurven J und L sind in ein Koordinatensystem eingezeichnet, u. zw. mit der Geschwindigkeit der Lokomotive als Abszisse und mit dem Wirkungsgrad der Turbine als Ordinate. Die untere Kurve K zeigt den Wirkungsgrad einer Turbine, bei welcher ein Abzug nicht gemacht wird für im Schaufelsystem entstehende Stossverluste, während die obere Kurve L den Wirkung- grad zeigt, wenn diese Stossverluste abgezogen werden. An dieser Kurve zeigt es sich, dass die Kennzahl
2800 einer gewissen Geschwindigkeit J1'e > ntspricht. Ist die Geschwindigkeit grösser als M', beispielsweise C', so wird die Kennzahl grosser als 2800, und ist die Geschwindigkeit geringer als M', so wird die Kenn- zahl kleiner als 2800.
Wenn man somit für den Lokomotivbetrieb eine Turbine verwendet, deren Kenn- zahl kleiner ist als 2800, so wird ihr Höchstwirkungsgrad an der maximalen Geschwindigkeit der Turbine
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ist und keine unnötigen Stossverluste gibt. Die Wirkungsgradkurve wird somit bis an einen Grösstwert bei der maximalen Geschwindigkeit der Turbine steigen oder, mit andern Worten, es ist beispielsweise nur ein Teil der Kurve links von M'in der Figur, der gelten wird, und die Geschwindigkeit M'wird einem Wert entsprechen oder erhält einen Wert, welcher der maximalen Geschwindigkeit der Turbine entspricht.
Dampfturbinenschaufeln müssen, wie bekannt, stets in solcher Weise konstruiert werden, dass ihr Einlaufwinkel nach der normalen Geschwindigkeit der Schaufeln abgepasst ist. Bei Lokomotivturbinen schwanken die Geschwindigkeiten sehr erheblich und es ist daher wichtig, dass eine Schaufeltype gewählt wird, die ohne nennenswerte Verluste wegen Wirbelbildungen usw. für beträchtliche schwankende Einlaufwinkel verwendet werden kann. Diese Vorteile bietet eine bekannte Schaufel, deren gegen den einströmenden Dampf gerichtete Kante abgerundet ist, so dass die Schaufel hinsichtlich ihrer Form und Wirkung den Tragflächen einer Flugmasehine ähneln wird, d. h. der Dampfstrom folgt den Sehaufelseiten ohne Wirbelbildungen.
Kurve K in Fig. 2 ist auf die Anwendung derartiger Schaufeln gegründet, was daraus hervorgeht, dass der Unterschied zwischen den Kurven Kund L sehr gering ist, insbesondere bei den normalen Geschwindigkeiten. Zweckmässig muss auch eine derartige Turbine für teilweise Beaufschlagung geregelt sein.
Indem der Dampf auf mindestens 4000 C überhitzt wird, ist es bei der Anwendung einer Dampfturbine möglich, den Brennstoff in einer derart vorteilhaften Weise auszunutzen, dass eine Brennstoffersparnis erreicht wird, welche, wenn die Überhitzung weit getrieben wird und besonders wenn ein höherer Druck als 20 Atm. im Dampfkessel verwendet wird, derjenigen Ersparnis entspricht, die sonst erreicht werden könnte, falls der Abdampf nach einem Kondensator geleitet werden würde. Die erreichte Ersparnis wird somit nicht durch die Mehrkosten für einen Kondensator belastet, weshalb eine Turbinenlokomotive nach der Erfindung im Betriebe billiger wird als die Lokomotiven der gewöhnlichen bekannten Typen.
Die Erfindung kann offenbar auch an Lokomotiven angewandt werden, die mit einer Rückwärtsturbine an Stelle eines reversierbaren Getriebes versehen sind.
Mit dem Ausdruck ohne Kondensator"wird ein Kondensator solcher Grösse bezweckt, dass er allen Abdampf von der Turbine aufnehmen kann. Man kann sich beispielsweise den Fall denken, dass auf der Lokomotive ein kleiner Kondensator vorgesehen ist, worin ein Teil des Abdampfes, beispielsweise der von irgendwelcher Hilfsmaschine kommende Dampf, verflüssigt wird.