Kraftanlage. Die Erfindung betrifft eine neue, mit be liebigen Treibmitteln arbeitende Kraft anlage und basiert auf einer eigenartigen Ausnutzung der Flugkolbenmotoren. Flug kolbenmotoren sind bereits vielfach vorge schlagen worden. Infolge Fortfalles des Schwungrades, der Gestänge, der Kurbel welle und Lager sind diese Maschinen von ausserordentlicher konstruktiver Einfachheit; sie gestatten höhere Kolbendrücke, haben ge ringere mechanische Verluste und lassen da her einen guten Wirkungsgrad erwarten. Ihre Anwendung beschränkte sich bisher vor nehmlich auf die Erzeugung von Druckluft oder Druckwasser; es wurde aber auch schon vorgeschlagen, durch die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens unmittelbar elek trische Energie zu erzeugen.
Ein Nachteil war bisher den sämtlichen Gestänge- und schwungradlosen Kolben maschinen eigen: der ungleichförmige Gang und die Neigung zum Stehenbleiben.
Der Gegenstand der Erfindung betrifft nun eine Kraftanlage mit Flugkolbenmotor, der durch seine hin- und hergehende Bewe- gung elektrische Energie erzeugt und der mit einer Einrichtung elektrisch gekuppelt ist, welche bei Aussertrittsfallen Ausgleich ströme erzeugt, durch deren synchronisie rende Kräfte der Flugkolbenmotor in gleich mässiger Bewegung gehalten wird. Diese Einrichtung kann in einem Schwungradgene rator oder auch in einem kräftigen elek trischen Netz bestehen.
An Stelle des Schwungrades der gewöhnlichen Kolben maschine tritt dann das Schwungelement eines rasch laufenden Wechselstromgenera- tors, der mit dem von der Flugkolben maschine betriebenen, hin- und hergehenden Generator elektrisch gekuppelt ist, oder ein Schwungrad, das auf der Welle dieses rotie renden Generators sitzt.
An Stelle des den Hub begrenzenden und die Spielzahl er zwingenden Gestänges der gewöhnlichen Kolbenmaschine treten ferner hier die syn chronisierenden Kräfte durch Ausgleich ströme, die ausgelöst werden, sobald der Spannungsverlauf des hin- und hergehenden Generators nicht mehr mit demjenigen des Schwungradgenerators oder auch eines kräf-
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tigen Netzes, mit dem der hin- und her gehende Generator verbunden ist, überein stimmt.
Zum Antrieb des Flugkolbenmotors wer den mit Vorteil brennbare Gasgemische ver wendet; es kann die Anlage aber auch mit Dampf betrieben werden. Im letzteren Falle kann die Flugkolbenmaschine beispielsweise als Hochdruckteil verwendet werden, wäh rend der Niederdruckteil eine gewöhnliche Kolbenmaschine oder Turbine ist, die den Abdampf des Flugkolbenmotors weiter ver arbeitet. Der hin- und hergehende Genera tor des Flugkolbenmotors wird dann zweck mässig mit dem rotierenden Generator der Kolbenmaschine oder der Turbine elektrisch gekuppelt und auf diese Weise der Gleich gang der Flugkolbenmaschine von den Schwungmassen der rotierenden Maschinen beeinflusst.
Anlagen der erwähnten Art können aber auch noch mit andern Treibmitteln unter verschiedenartiger Zusammenschaltung der mechanischen und elektrischen Maschinen gebaut werden.
In den Abbildungen sind einige beispiels weise Ausführungsformen in schematischer Weise veranschaulicht. Fig. 1 zeigt die Ver bindung eines Flugkolbenmotors mit einem Schwungradgenerator; Fig. 2 und 3 sind Ausführungsbeispiele des Flugkolbenmotors, und zwar gibt Fig. 2 einen teilweisen sche matischen Schnitt durch eine einfache Form der Zylinder und den hin- und hergehenden Generator wieder, während Fig. 3 Einzel heiten der konstruktiven Durchbildung eines solchen Flugkolbenmotors mit hin- und her gehenden Generator gezeigt sind; die Fig.4 und 5 stellen diagrammatisch die Druck-, Geschwindigkeits- und Arbeitsverhältnisse der Anlage dar; Fig. 6 zeigt ein Ausfüh rungsbeispiel einer Anlage für Dampfbetrieb und der Anwendung der Flugkolbenmaschine als Hochdruckteil und einer Turbine als Nie derdruckteil der Anlage.
In Fig. 1 sind 1 und 2 die Arbeits kolben, 3 und 4 die Zylinder des Flugkol benmotors. 10 ist der Feldmagnet eines Ge- nerators, 15 ist sein Anker, 20 und 21 sind die von der Ankerwicklung zum Verbrauchs netz führenden Leitungen. An den Gene rator 10, 15 ist ein rotierender Schwung radgenerator 25 geschaltet. Bei Änderungen der Drehzahl des Schwungradgenerators 25, wie sie durch Belastungsänderungen des Flugkolbenmotors 10, 15 bedingt werden, kann irgend eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Vorrichtung ansprechen, die die Füllung oder die Gemischbildung des Flugkolbenmotors ändert.
In Fig. 2 sind 1 und 2 wiederum die Ar beitskolben, 3 und 4 die Zylinder eines doppelendigen Flugkolbenmotors. Die Bewe gung der Kolben 1, 2 kann mittelst Dampf, Druckluft, verpuffender Gasgemische oder dergleichen erfolgen. Mit den beiden Kolben ist durch eine Stange 5, 6 ein Feldmagnet 10 starr verbunden. Die Bürsten 12, 13 die nen zur Zuführung von Gleichstrom für die Erregung des Feldmagnetes 10; 15 ist der Anker; er besteht aus radial gestellten Ei senblechen, die den Feldmagneten 10 um geben. Die Wichlung des Ankers besteht aus zylindrischen Spulen, die in Nuten einge legt sind. Der erzeugte Wechselstrom kann bei 20 und 21 abgenommen werden.
In obigem wurde angenommen, dass das auf die Kolben 1, 2 des Flugkolbenmotors wirkende Treibmittel im wesentlichen hin reicht, um die hin- und hergehenden Teile derart zu beschleunigen, dass ihre Spielzahl mit der verlangten Periodenzahl des nach aussen zu liefernden Stromes übereinstimmt. Sind die Massen der hin- und hergehenden Teile im Vergleich zu den beschleunigenden Kräften des Treibmittels dagegen sehr gross, so kann die Geschwindigkeit und Spielzahl der hin- und hergehenden Teile durch mehr- polige Ausführung des Flugkolbengenera- tors auf das erforderliche Mass vermindert werden, während die Periodenzahl des er zeugten Generatorstromes selbst unverändert bleibt.
Es kann aber auch der Fall eintre ten, dass es zum Beispiel bei grossen Kon- struktionsgezwichten oder bei geringen Kol bendrücken unerwünscht oder unmöglich ist, durch Mehrpoligkeit des Generators die Spielzahl genügend zu verringern.
Die Anlage kann dann in einer Form ausgeführt werden, die es ermöglicht, den hin- und hergehenden Teilen derselben belie biges Gewicht und eine von den Kolben kräften unabhängige Spielzahl zu geben. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Schwungradgenerator nicht nur zur Gleich erhaltung des Ganges, sondern in hervorra gendem Masse auch zur Beschleunigung der hin- und hergehenden Massen gebaut wird. Die Beschleunigung der hin- und hergehen den Teile auf die zur Einhaltung der Spiel zahl erforderliche Geschwindigkeit geschieht dann im wesentlichen durch die elektrische Energie, die vom Schwungradgenerator ge liefert und von dem als Motor arbeitenden Flugkolbengenerator aufgenommen wird.
Bei Verzögerung der Massen wird diese Energie vom Flugkolbengenerator wieder an den Schwungradgenerator zurückgegeben, wobei nun der Schwungradgenerator als Motor ar beitet. Die hierbei in den Generatoren um gesetzte Arbeitsleistung kann ein Vielfaches der nach aussen abgebbaren Nutzarbeit be tragen. Letztere ist die vom Treibmittel ge leistete Arbeit, abzüglich der Verluste des Flugkolbengenerators und des Schwungrad- generators. Hat der vom Flugkolbengenera tor erzeugte Strom die gleiche Periodenzahl wie der verlangte Nutzstrom, so kann der Nutzstrom unmittelbar den beiden Genera toren entnommen werden.
Es ist bekanntlich wichtig, dass der auf ein Netz arbeitende Strom möglichst sinus- förmigen Verlauf hat. Der vom Flugkolben motor erzeugte .Strom nähert sich nun um so mehr dem verlangten sinusförmigen Verlauf, je vollständiger der Geschwindigkeitsverlauf in der Bewegung der hin- und hergehen den Teile vom Schwungradgenerator erzwun gen wird.
Bei grossen Leistungen und Abmessun gen des Flugkolbenmotors und Flugkolben- generators kann die vom Flugkolbengenera tor erreichbare, Periodenzahl aber auch mehr oder weniger unter der Periodenzahl des Nutzstromes liegen. Der Schwungradgenera tor kann dann für geringe Periodenzahl ge baut und der Nutzstrom durch einen beson deren Generator erzeugt werden, der mit dem Schwungradgenerator gekuppelt ist. In diesem Falle ist die Wahl der Periodenzahl des Schwungradgenerators allein von der erreichbaren Spiel- und Polzahl des Flug- kolbengenerators abhängig und auch eine etwaige Abweichung des erzeugten Stromes von der Sinuslinie ohne Bedeutung, da dieser Hilfsstrom auf kein äusseres Netz arbeitet.
Ist Schwungmoment und Leistung des Schwungradgenerators gross genug, um die hin- und hergehenden Massen, während eines Hubes auch ohne die treibenden Kolben kräfte in der vorgeschriebenen Bewegung zu erhalten, so kann der Flugkolbenmotor auch beispielsweise als Viertaktmotor (Verbren nungsmotor) betrieben werden, das heisst auf jeden Arbeitshub in zwei gegenüberliegen den Zylindern kann ein Leerhub für das Ansaugen des frischen oder für das Aus schieben des verbrannten Gemisches folgen.
Bei der Ausführungsform des Flugkol benmotors mit Generator gemäss Fig. 3 sind 1 und 2 die Arbeitskolben, 3 und 4 die Zy linder des Flugkolbenmotors. Die Kalben 1 und 2 werden durch irgend ein Treibmittel in rasche hin- und hergehende Bewegung versetzt und dabei die beiden Eisenplatten 60 und 61 an dem aus Blechen hergestellten Stator 62 und 63 vorbeiführt. Vier von Gleichstrom durchflossene Spulen 64 erregen ein kräftiges Magnetfeld, dessen Kraft linienfluss durch die Eisenplatten 60 und 61 geschlossen wird. In Nuten des Stators sind Kupferwindungen 66 eingelegt, in welchen infolge der mit der Bewegung der Platten stattfindenden Verschiebung des magne tischen Kraftfeldes elektrischer Strom er zeugt wird.
Zur Verbindung der beiden Eisenplatten 60, 61 dient ein aus unmagne- tischem Stoff bestehendes Zwischenstück 67.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig: 3 ist ails Triebmittel Rohöl angenom men, das nach dem bekannten Dieselverfah ren, und zwar im Zweitakt verarbeitet wird. Durch das Rohr 70 wird beispielsweise die Spül- und Verbrennungsluft zugeführt, während die Abgase bei 71 entweichen. Das Ventilgehäuse 72 enthält die Einspritzdüse.
Zur Aufrechthaltung des Gleichganges der hin- und hergehenden Teile ist die Sta torwicklung mit einem Schwungradgenerator verbunden. Für das Zusammenarbeiten von Flugkolbenmotor und Schwungradgenerator gilt nun folgendes: Soll die zur Bewegung eines Flugkolben- generators benötigte Energie bei jedem Hub durch die Kolbenkräfte allein aufgebracht werden, so muss die zur Beschleunigung der hin- und hergehenden Massen erforderliche "Überschussfläche" der Kolbenkräfte in je der Kolbenstellung gleich
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sein, wenn M die Masse der hin- und hergehenden Teile und v die Geschwindigkeit derselben im be treffenden Zeitpunkte bedeutet.
Es muss fer ner die Zeit, die zur Zurücklegung eines Hu bes erforderlich ist (das ist der Ausdruck
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worin ds das Differential des Kol benweges s bedeutet) gleich der Zeitdauer einer halben Periode des zu erzeugenden Wech selstromes sein. In Fig. 4 sind die Verhält nisse diagrammatisch dargestellt. Es ist der Linienzug a der Druckverlauf des expandie renden Treibmittels (Dampf, Gas oder der gleichen). Die von ihm eingeschlossene Fläche ist die an den Kolben abgegebene Arbeit. Der Linienzug b stellt die in jeder Kolbenstellung erzeugte elektrische Energie dar. Die von ihm eingeschlossene Fläche ist die per Hub erzeugte elektrische Arbeit. Zu dieser vom Treibmittel aufzubringende Ar beit kommt noch die Verdichtungsarbeit für das Treibmittel auf der gegenüberliegenden Kolbenseite und die Kolbenreibung etc.
Diese "negativen" Arbeitsflächen sind durch Li nienzug c dargestellt. Die gesamte negative Arbeitsfläche wird durch Linienzug d wie dergegeben. Das Kräftegleichgewicht wird hergestellt, wenn die positive Arbeitsfläche des Linienzuges a gleich der negativen Ar- beitsfläche des Linienzuges d ist. Arbeitet der Flugkolbengenerator für sich allein, so ist für die Beschleunigung der hin- und hergehenden Massen und ihre Spielzahl die "Überschussfläche" e massgebend, die im Diagramm durch die schräge Schraffur ge kennzeichnet ist. Diese erteilt den Massen eine Geschwindigkeit v, die weiterhin für je den Punkt der Kolbenstellung durch fol gende bekannte Beziehung gegeben ist:
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Es sind dabei A die treibenden Kräfte des Linienzuges a, D die hemmenden Kräfte des Linienzuges, d, M die hin- und hergehenden Massen und s der Kolbenweg.
Der Verlauf der Geschwindigkeit ist durch den Linienzug f dargestellt. Soll die für einen Hub erforderliche Zeit mit derjenigen der halben Periodenzahl des zu erzeugenden Stromes zusammenfallen, so muss also die Masse M eine ganz bestimmte Grösse auf weisen.
Nach der Erfindungsausgestaltung ge mäss den Fig. 1 bis 3 wird der Flugkolben generator mit einem Schwunsradgenerator elektrisch gekuppelt oder auf ein starkes Netz geschaltet, um den Gleichgang des Flugkolbenmotors zu erwirken. Es sind also nicht die Kolbenkräfte allein, die den Ge schwindigkeitsverlauf der hin- und hergehen den Teile bestimmen. Da der Schwungrad generator konstante Winkelgeschwindigkeit besitzt, so wird der Verlauf seiner Spannung (ebenso wie diejenige eines Netzes) sich im allgemeinen einer Sinuslinie nähern, wäh rend der Spannungsverlauf des vom Flug kolbengenerator erzeugten Stromes mehr oder weniger von einer solchen abweicht.
In bei den Systemen treten daher, parallel geschal tet, Ausgleichströme auf, welche synchroni sierende Kräfte erzeugen, die den Ausgleich des Spannungsverlaufes und eine Annähe rung des Geschwindigkeitsverlaufes beider Generatoren herbeizuführen suchen. Die Ge schwindigkeit des Flugkolbenmotors ver läuft nach Parallelschaltung nicht mehr nach Kurve f, sondern ungefähr nach Kurve g. Die bei der Korrektur der Geschwindig keitskurve wirksamen synchronisierenden Kräfte (durch Flächen h und i dargestellt) sind gering, solange zur Beschleunigung der Massen die Kolbenkräfte im wesentlichen hinreichen.
Es kann aber auch der Fall ein treten, dass aus konstruktiven Gründen die Massen grösser ausfallen, als sie nach der oben angeführten Beziehung sein dürfen. Es reichen dann die Kolbenkräfte allein nicht aus, um die Massen auf die Geschwindigkeit zu bringen, die nötig ist, um den Hub in der durch die Periodenzahl bestimmten Zeit zu vollenden.
Hier kann nun die in den Schwungmas- sen des Schwungradgenerators aufgespei cherte Energie zur Mitwirkung beigezogen werden, indem die über die Kolbenkräfte hinaus benötigte Energie zur Beschleuni gung der hin- und hergehenden Massen in Form, elektrischer Energie vom Schwung radgenerator an den Flugkolbengenerator geliefert und diese Überschussenergie von den Massen während ihrer Verzögerung wie der an den Schwungradgenerator zurückge geben wird.
In. Fig. 5 ist dieser Vorgang diagram matisch dargestellt. Neben der (schräg schraffierten) Fläche e aus den Kolbenkräf ten des Linienzuges a, die die Massen nur gemäss Kurve f hätten beschleunigen kön nen, tritt noch die aus dem Schwungradgene rator gelieferte Arbeitsfläche h auf. Die ungefähr gleichgrossen Arbeitsflächen i1 und i2 stellen die elektrische Arbeit dar, die von den verzögerten Massen an den Schwung radgenerator zurückgegeben wird. Die Ar beitsflächen h und i können ein Vielfaches der Arbeitsfläche des Flugkolbenmotors be tragen. Dementsprechend sind auch die bei den Generatoren für den vergrösserten Ar beitsumsatz zu bauen.
Je grösser die umge setzte elektrische Energie im Vergleich zur Arbeitsleistung des Flugkolbenmotors ist, desto mehr nähert sich auch der Geschwin digkeitsverlauf des hin- und hergehenden Generators dem des Schwungradgenerators und desto mehr stimmen die den Geschwin- digkeitsverläufen entsprechenden Spannungs- verläufe beider Systme überein. Der durch die Rückwirkung aus dem Schwungrad- generatar erzwungene Geschwindigkeitsver lauf ist durch Kurve k dargestellt.
Besondere Vorteile bietet die Kraftanlage gemäss der Erfindung zur Verarbeitung von hochgespanntem Wasserdampf. Es ist be kannt, dass in Dampfturbinen die Verarbei tung von Dampf wegen der selbst bei gro ssen Leistungen kleinen Dampfmengen Schwierigkeiten bereitet. Bei der Kolben maschine erschweren vornehmlich die hohen Gestängedrücke den Betrieb und Bau. Der Flugkolbenmotor benötigt kein Gestänge, er gestattet bedeutend höhere Kolbengeschwin digkeiten, und die bei Turbinen ungünstigen, kleinen Dampfvolumen sind beim Flugkol benmotor nur vorteilhaft. Nun sind zwar bereits gestängelose Dampfkolbenmaschinen bekannt; sie dienten bisher aber nur zur Wasserförderung, da es nicht gelang, den für andere Verwendungszwecke nötigen gleich mässigen Gang zu erzielen. Dieser ist da gegen bei Anlagen gemäss vorliegender Er findung erreichbar.
Eine weitere Ausbildung der Erfindung ist nun die Verwendung des Flugkolben motors als Hochdruckstufe einer Dampf kraftanlage oder als sogenannte Vorschalt maschine bei Höchstdruckanlagen. Eine sol che Maschine kann zum Beispiel folgender massen arbeiten: In dem Flugkolbenmotor expandiert der hochgespannte Dampf bis auf einen bestimmten Druck, wodurch der hin- und hergehende Teil des Flugkolbenmotors in rasche Bewegung versetzt wird, während die Niederdruckmaschine den aus dem Flug kolbenmotor auspuffenden Dampf bis auf Köndensatardruck weiter verarbeitet. Als Niederdruckmaschine kommt sowohl eine Kolbenmaschine, als auch eine Dampftur bine in Frage.
Diese Niederdruckmaschine treibt einen Generator an, mit dem der Gene rator des Flugkolbenmotors parallel geschal tet ist. Da die Leistung auf Vorschalt- und Nie derdruckmaschine meist derart verteilt wird, dass der Dampf, der der Niederdruckmaschine zuströmt, den heute noch als "normal" be zeichneten Druck aufweist (10 bis 20 Atm.), so ergibt sich, dass die Niederdruckmaschine die doppelte bis dreifache Leistung des als Vorschaltmaschine arbeitenden Flugkolben motors erhält. Der Gang des Flugkolben motors ist somit infolge der grösseren Lei stung und des bedeutenden Schwungmomen- tes des Niederdruckmaschinengenerators von diesem Generator, mit welchem derjenige des Flugkolbenmotors elektrisch gekuppelt ist, vollkommen beherrscht.
Der besondere Schwungradgenerator, der zum Beispiel bei der Ausführungsform nach Fig.1 zur Gleich erhaltung des Ganges erforderlich ist, kann hier also entbehrt werden. Aus Gründen der Abhängigkeit der Pe riodenzahl von der Spielzahl und da der vom hin- und hergehenden Generator erzeugte Strom mehr oder weniger von der meist ver langten Sinuslinie abweichen kann, kann es vorteilhaft sein, den vom Flugkolbengenera tor erzeugten Strom nicht an das Netz ab zugeben, sondern ihn zum Antrieb eines Motors zu verwenden, der mit der Nieder druckmaschine bezw. mit ihrem Generator mechanisch gekuppelt ist.
In Fig. 6 ist eine Kraftanlage dieser Art schematisch dargestellt. 1 und 2 sind die Ar beitskolben, 3 und 4 die Zylinder des Flug kolbenmotors, 10 ist der Feldmagnet und 15 der Anker des Flugkolbengenerators. 20 und 21 sind die von der Ankerwicklung abzwei genden Leitungen. 30 ist ein Dampfkessel, 32 eine Turbine, 34 ein rotierender Genera tor und 36 ein Elektromotor. Der im Kessel 30 erzeugte Dampf geht durch die Leitungen 40 zum Flugkolbenmotor, der beispielsweise als sogenannte Gleichstrommaschine ausge bildet sein mag. In den Wicklungen 42 des Flugkolbengenerators wird durch die hin- und hergehende Bewegung des Feldmagnetes 10 Wechselstrom erzeugt. Dieser kann zum Antrieb des Motors 36 dienen, wodurch die im Flugkolbenmotor erzeugte Arbeit an die Turbinenwelle abgegeben wird.
Bleibt nun aus irgend welchem Grunde die Spielzahl des Flugkolbenmotors hinter der Periodenzahl des Motors 36 zurück, so arbeitet der Motor als Generator und gibt Strom an den Generator 10, 15 des Flug kolbenmotors ab, wodurch letzterer nun als Motor arbeitend die erforderliche Spielzahl wieder herzustellen versucht.
Der bis auf einen bestimmten Gegendruck entspannte Dampf verlässt durch die Schlitze 45, 46 die Zylinder und wird im Behälter 50 gesammelt, worauf er der Niederdruck turbine 32 zuströmt und bis auf Vakuum ausgenutzt im Kondensator 55 niederge schlagen wird.