Wasserkraftmasehine. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wasserkraftmaschinen derjenigen Art, bei welchen der Druck einer Wassersäule mittelst in sternförmig angeordneten Zy- '#lern sich bewegender blembrankolben in Arbeit umgewandelt wird. Man hat bisher derartige Motoren in der auch bei Kolben pumpen und Wasserturbinen allgemein üb lichen Weise dadurch geregelt; dass man den Durchflussquerschnitt für das Wasser gegen über der normalen Öffnung verengte oder erweiterte.
Diese Regelungsart hat, wie na mentlich aus dem Turbinenbau bekannt ist, den Nachteil, dass einerseits durch die un vollständige Füllung oder Beaufschlagung, anderseits durch Strömungs- und Reibungs verluste bei verengtem Querschnitt der Wir kungsgrad der Kraftmaschine bedeutend verschlechtert wird.
Mit der Wasserkraftmaschine gemäss der Erfindung wird dieser Nachteil dadurch zu umgehen gesucht, dass die Welle, sowie die Membrankolben als elastisch biegsame Fe dern ausgebildet s:nd und unter Vermittlung der Pleuelstangen miteinander ein elastisches Schwingungssystem bilden, zum Zwecke,-die Wasserkraftmaschine durch Änderung des Kolbenhubes zu regeln.
Die Verhinderung aller andern als der zur Regelung erforderlichen Wellenverbie gungen, zum Beispiel derjenigen infolge des durch die Pleuelstangen auf die Welle über tragenen Wasserdruckes, kann zum Beispiel durch Ausgleichschwungscheiben erfolgen, welche zweckmässigerweise mit einem zum Teil mit Quecksilber gefüllten Hohlraum versehen werden zum selbsttätigen Ausgleich des bei jeder Wellenumdrehung auftretenden und durch die endliche Anzahl der in einem Zylinderstern vereinigten Zylinder beding ten periodischen Schwankungen der Resul tierenden der Pleuelstangenkräfte.
Bei Verwendung von nur einem einzigen Zylinderstern können dessen Pleuelstangen je zur Hälfte wechselweise mit dem mittleren, bezw. den beiden äussern von drei sym metrisch zur Wellenmitte angeordneten und um<B>180,</B> gegeneinander versetzten Antriebs- exzentern verbunden sein, wobei die Steue rung des Wasserzu- bezw. Abflusses so ge regelt sein kann, dass je zwei um 180 ver setzte Zylinder im gleichen Sinn beeinflusst werden, damit die Welle von den gegen sie auf Verbiegung hinwirkenden Wasserkräf ten entlastet wird.
Zum Zweck 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 andere mit den beiden symmetrisch angeordneten äussern Antriebsexzentern verbunden ist.
Die zur Regelung erforderlichen Durchbiegunger der beiden Wellenteile können durch die Ein wirkung eines Reglers bekannter Bauart er zeugt werden, indem zum Beispiel der Re gler auf je zwei an jedem Wellenteil sym metrisch zur Wellenmitte angebrachte Schwungmassen aufweisende Regelvorrich tungen einwirkt, deren Exzentrizität durch die Einwirkung des Reglers verstellbar ist.
Die Erfindung ist in der Zeichnung bei spielsweise dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die Wasserkraftmaschine, während Fig. 2 einen Querschnitt darstellt; Fig. 3 und 4 zeigen eine der zur Rege lung verwendeten Vorrichtung in Seiten- und Stirnansicht: Fig. 5 und G sind ein Querschnitt und eine Seitenansicht einer zum Ausgleich des gegen die Welle wirkenden Wasserdruckes dienenden Exzenterscheiben;
Fig. 7 zeigt die gegenseitige Anordnung der Regel- und Ausgleichschwungmassen auf der Antriebswelle; Fig. 8 zeigt einen teilweisen Achsen schnitt und Fig. 9 einen mittleren Querschnitt durch eine abgeänderte Anordnung des Zylinder sternes; Fig. 10 ist ein senkrechter Achsen schnitt; Fig. 11 ein Querschnitt, und Fig. 12 ein wagrechter Achsenschnitt durch die von einem Regler gesteuerte Vor- richtung zur Veränderung der Exzentrizität der Schwungmassen.
Die Wasserkraftmaschine besitzt in an sich bekannter Weise zylindrische Arbeits räume a, während die Arbeitskolben aus an ihrem Umfang eingespannten Membranen b bestehen. Diese arbeiten mittelst Pleuelstan gen c, die an einem Ring d angelenkt sind. auf den Antriebsexzenter e einer Welle f.
Der Wasserzufluss und der Abfluss k. wer den durch auf der Welle befestigte Dreh schieber i gesteuert. und es stehen die Zu flüssorgane g und die Abflussorgane la mit den Arbeitsräumen a durch Rohrleitungen k und<I>l</I> in Verbindung.
Die Welle<I>f</I> ist in all- seifig verschwenkbaren Lagern m gelagert, so dass sie sich, ohne zu klemmen, durchbie gen kann, sowohl zwischen den die Schieber <I>i</I> tragenden Wellenteilen rt, als auch zwischen einem solchen Teil n und der biegsamen Ar beitswelle f sind eine oder mehrere nachgie bige -Kupplungen o eingeschaltet sind.
Die Welle f wird derart biegsam gemacht und das Mass ihrer Durchbiegung von einem be liebigen Regler unter Verwendung von Hilfs mitteln so beeinflusst, dass der Hub der Mem- brankolben b durch ,Steigerung oder Vermin derung der Wellendurchbiegung der jewei ligen Maschinenbelastung entsprechend ge regelt und die Maschine auf konstanter Dreh zahl erhalten wird.
Beispielsweise werden diese erwähnten Hilfsmittel; auf welche der Regler wirkt, durch Schwungmassen p auf weisende Regelvorrichtungen gebildet, deren Exzentrizität einstellbar ist. So bestehen diese zur - Hubregelung dienenden Vorrich tungen wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, aus einer verschiebbaren Schwungmasse p von der Form eines geschlossenen Rahmens, der auf einem auf der Welle f sitzenden Gleit- stück <I>r</I> geführt ist.
Das Gleitstück <I>r</I> trägt beiderseits auf Schraubenspindeln s verstell bare Widerlagerscheiben t, gegen die sich Federn ic stemmen, deren andere Enden ge- geit den Rahmen anliegen. Durch Verstellen der Schwungmasse p und vermöge der da durch veränderten Fliehkraft, kann die Wel lenverbiegung und damit der Hub der Kol- ben geändert werden. Die Einrichtung zum Drehen der Schraubenspindeln s vom Regler aus ist aus Fig. 10 bis 12 ersichtlich.
f ist die hohle Motorwelle auf der das als Führung für die rahmenförmige Schwung masse pdienende Gleitstück<I>r</I> sitzt. Die beiden Schraubenspindeln s. auf denen je der Fe derteller<I>t</I> einer Feder<I>u</I> achsial beweglich aber urdrehbar geführt ist, ragen in die I3ohlwelle f hinein und tragen dort ein Zahn rad 10, mit dem eine in der Hohlwelle geradgeführte Zahnstange 11 irr Eingriff steht,
die mit der Kolbenstange 12 eines Reglerhilfsmotonsi 13 durch ein Gelenk 14 so verbunden ist, dass sie sich mit der Welle f gegenüber dem Regler frei drehen, aber auch den achsialen Bewegungen der Regler kolbenstange 12 folgen kann. Jede Bewegung des:
Reglers ruft dann eine Achsialbewe- glzng der Zahnstange 11 und dadurch eine Drehung der Schraubenspindeln s hervor, wo durch die Lage der Schwungmasse p ver ändert wird. An Stelle des durch Schrauben spindeln verstellbaren Rahmens könnte als verstellbare Schwungmasse unter anderem auch ein Kolben treten (Fig. 8), der in einem auf der Welle befestigten Zylinder p',
<I>p\</I> .senkrecht zur Wellenachse mittelst Drucköl vom Regler oder dessen Hilfsmotor hin- und herbewegt wird, und damit ebenfalls die Wellenverbiegung und den; Hub beeinflusst.
Um die gegen die Welle wirkenden Was serdruckkräfte, sowie ihre durch Gefä.lle- schwankungen des Treibmittels hervor gerufenen Schwankungen ausgleichen zu kön nen., sind weitere Ausgleichseheiben q vorge sehen, deren Massenschwerpunkt entspre chend dem Gefälle verlegt wird. Eine solche Ausgleichscheibe ist zum Beispiel in Fig. 5 und 6 gezeigt.
Die Aus gleichscheibe besteht aus einem Gehäuse v, das mit einer Nabe w auf der Welle<I>f</I> befestigt ist. Von der Nabe w aus geht ein Zylinder .x, in dem ein unter Federdruck ste hender Kolben y geführt ist.
Der Zylinder raum zwischen den Kolben y und der Nabe w wird durch die hohle Welle mit dem Treib- mittel gefüllt und steht daher unter dessen Druck,
so dass der Kalben y bei wachsendem Druck entgegen der Federwirkung nach au ssen bewegt und damit der Massenschwer punkt der .Schwungmasse ebenfalls narb aussen verlegt wird und bei entsprechender Anordnung derselben dem erhöhten W asser- druck auf die Welle entgegenwirkt.
Um ferner diejenigen pexiodisehen Schwankungen der Welle selbsttätig auszu gleichen, welche von dem Wechsel -der ein zelnen, Zylinder vom Volldruck des Wasser gefälles zum Niederdruck des abfliessenden Wassers herrühren, besitzen die Ausgleich scheiben q einen sichelförmigen Hohlraum, der teilweise mit Quecksilber z gefüllt ist, eine Anordnung, die sich auf folgende Über legung gründet:
Ist ein genau zentrisch rotierender Hohl zylinder teilweise mit einer Flü:sigkeit, zum Beispiel Quecksilber gefüllt, so wird wäh rend der Rotation, einerlei ob unterhalb oder oberhalb der kritischen Drehzahl, der Queck silberspiegel die Gestalt eines zum Hohl zylinder konzentrischen Zylindermantels an nehmen, sofern man von der Wirkung der Erdanziehung absieht.
Wird jedoch durch irgend einen von aussen gegen die Welle ge richteten Kraftimpuls die zentrische Lage des rotierenden Hohlzylinders gestört, so wirkt unterhalb der kritischen Drehzahl eine solche teilweise Quecksilberfüllung in dem Sinn,
da.ss die Exzentrizität des rotierenden Hohlzylinders unter dem Einfluss der Flieh kraft 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 Be streben, um ihren eigenen Schwerpunkt züi rotieren, woraus sich eine selbsttätige Zen trierung des Kohlzylinders ergibt, durch Auftreten einer Massenfliehkraft,
welche dem die ursprüngliche Schwerpunktlage des rotierenden Zylinders störenden Impuls ent. gegengesetzt gerichtet ist.
Es sei jedoch besonders darauf aufmerk sam gemacht, dass es sich hierbei um eine längst bekannte und auch technisch verwer tete physikalische Erscheinung handelt. (Siehe unter anderem Stodola, Dampf- und Gasturbinen, Abschnitt Dampfturbinenwel- len.) Im vorliegenden Falle erfolgt jedoch eine neuartige Anwendung auf exzentrisch auf der Welle befestigte Hohlzylinder zwecks Fernhaltung der -oben beschriebenen periodi schen Schwankungen von diesen Hohlzy lindern.
Setzt man 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 Wellenumdre hung diese Resultierende ebenso viele Schwankungen aufweist, als die Zahl der in einem Zylinderstern vereinigten Zylinder be trägt. Hierbei handelt es sich um Schwankun gen sowohl hinsichtlich der Grösse als der Richtung dieser Resultierenden, indem diese Resultierende bei z in einen Zylinderstern vereinigten Zylindern während jeder Wel lenumdrehung z Maxima und z Minima auf weist, sowie gleichzeitig z-mal um einen be stimmten kleinen Winkelbetrag von ihrer Normalrichtung abweicht.
Durch diese periodischen Schwankungen ist die Welle entsprechenden periodischen Erschütterun gen ausgesetzt, welche jedoch durch die An ordnung eines teilweise mit Quecksilber ge füllten Hohlzylinders in ,jeder der Ausgleich scheiben q (Fig. 5 und 6) selbsttätig ausge glichen werden, wie aus den eben erläuter ten physikalischen Grundlagen dieser An ordnung ohne weiteres hervorgeht.
Da diese Ausgleichscheiben q mit einer erheblichen Exzentrizität auf der Welle f angeordnet sind, kann sich dieser selbsttä tige Ausgleich nur in der allgemeinen Rich tung dieserExzentrizität auswirken und bleibt daher ohne jeglichen Einfluss auf die senk recht dazu, in Richtung des Hubes, sich zum Zweck der Regelung ausbildenden 'Wellen- durchbiegungen.
Bei der in Fig. 8 und 9 gezeigten Aus führungsform sind die Pleuelstangen c' bezw. c2 der nicht gezeichneten M.embran- .kolben der einzelnen Zylinder wechselweise an die Ringe d' bezw. d2 angelenkt, und zwar wirken die mit dem Ring dl verbun denen Pleuelstangen cl auf einen mittleren Antriebsexzenter e',
während die an den um schliessenden Ring d2 angelenkten Pleuelstan gen c2 auf zwei Antriebsexzenter e2 wirken, die symmetrisch zur Wellenmitte und um 180 gegen Exzenter e' versetzt auf der Welle f befestigt sind.
Es arbeitet also die eine Hälfte cl der Pleuelstange auf den mittleren Exzenter e', während die andere Hälfte c2 auf die äussern Exzenter e2 wirkt, so dass auf jede dem mitt leren Exzenter e' zugehörige Pleuelstange c' eine den beiden äussern e2 zugehörige Pleuel stange c2 folgt.
Wenn man nun die Wasser zufuhr, bezw. -abfuhr der einzelnen Zylin der so steuert, dass die Wasserführungen von je zwei um 180 versetzten Zylindern gleich zeitig und im gleichen Sinn, diejenigen von zwei benachbarten Zylindern dagegen mit der ihrer gegenseitigen Stellung entsprechenden Pbasenverschiebung und entgegengesetzt ge steuert werden, so werden die auf die Welle einwirkenden 'Pleuelstangenkräfte einander in jedem Augenblick aufheben.
Zum Zweck der Regelung des Kolben hubes entsprechend der Drehzahl der Welle f wird diese der Länge nach zwischen den beiden Lagern na gespalten, so dass sie aus zwei an den Enden verbundenen elastisch biegsamen und federnden Teilen f' und f2 mit einem dazwischen liegenden Spalt be steht. Der Wellenteil f 2 trägt den Exzenter e'" während der Wellenteil f'' die beiden symmetrisch dazu liegenden äussern Exzenter c' trägt.
Jeder der Exzenter e', e2 besitzt eine Aussparung für den Durchgang des freien nicht mit ihm verbundenen Wellen teils, und zwar sind die Aussparungen so gross, dass sie die elastisch federnde Durch biegung unter dm Einfluss des Reglers nicht hindern. Die zur Regelung der Maschine er forderlichen elastischen Durchbiegungen der Wellenteile f' und f z werden erzeugt durch je zwei an jedem Wellenteil symmetrisch an- _gebrachte, Zylinder aufweisende Regelvor- richtungen p' bezw. p2,
deren Exzentrizität verstellbar und von der Einwirkung eines Reglers abhängig ist, wie schon vorher be schrieben. Diese Durchbiegungen der beiden Wellenteile sind einander stets entgegenge setzt - gerichtet und bewirken daher gleich zeitig eine Verkleinerung oder eine Verzöge rung des Hubes der mit ihnen verbundenen Membrankolben. -