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Heizrohr-Dampferzeuger, insbesondere für Fahrzeuge Dampfkessel mit
vom Verdampfungsraum umschlossener Feuerung werden sowohl für stationären als auch
für Schiffs- und Lokomotivbetrieb allgemein verwendet. Im Verlaufe einer mehr als
hundertjährigen Entwicklung haben sich zwei Standardtypen herausgebildet, nämlich
der im stationären und Schiffsbetrieb bevorzugt verwendete Flammrohrkessel und der
im Lokomotivbetrieb fast ausschließlich dominierende Feuerbüchskessel. Der Feuerbüchskessel
der Dampflokomotiven zeigt in seinen Grundzügen heute noch die gleiche Form, die
der Erfinder der Dampflokomotive Stephenson im Jahre 1829 bei der ersten betriebsfähigen
Lokomotive verwendete. Die unten offene Feuerbüchse, die den Verbrennungsraum seitlich,
oben, vorn und hinten umschließt, gewährleistet gute Dampfentwicklung und gestattet
hohe Feuerraumbelastungen, da die Feuerbüchswände die Wärme durch Strahlung aufnehmen
und ohne
Zwischenmedium an den Wasserinhalt des Kessels weiterleiten.
Dampftechnisch gesehen hat aber der unten offene Feuerbüchskessel den Nachteil,
daß sich keine Wasserzirkulation ausbilden kann, weder von rechts nach links, noch
von vorn nach hinten, da die entsprechenden Verbindungen infolge der Rostkonstruktion
nicht angebracht werden können. Außerdem hindern die eingebauten Stehbolzen das
Aufsteigen der Dampfblasen. Sehr ungünstig ist der Feuerbüchskessel vom Standpunkt
der Festigkeit aus gesehen. Die ebenen und gewölbten Wände der Feuerbüchse, welche
auf äußeren Überdruck beansprucht «-erden, müssen durch Stehbolzen und Anker an
der äußeren Stehkesselwand gehalten werden. Solange die Kesseldrücke niedrig waren
(der erste Stephenson-Kessel war für 3,3 atü gebaut), ließ sich diese Konstruktion
noch vertreten. Mit dem Übergang auf höhere Drücke bis zu 2o atü ergaben sich Kesselkonstruktionen,
die man nur noch als Zwangskonstruktionen bezeichnen kann. So sind z. B. für den
Kessel einer modernen Güter-Zuglokomotive 1334 starre Stehbolzen und 358
bewegliche Stehbolzen, das sind insgesamt 1692 Stück Haltevorrichtungen notwendig,
um die Feuerbüchse gegen einen inneren Überdruck von 16 atü am äußeren Stehkesselmantel
zu verankern. Die Herstellung solcher Kessel, das Bohren der Löcher, die Fabrikation
der Stehbolzen sowie die Montage nehmen sehr viel Arbeitszeit in Anspruch; überdies
können die Arbeiten nur von hochqualifiziertenFacharbeitern ausgeführt werden, so
daß eine serienweise Herstellung von Lokomotiven in großen Stückzahlen infolgedessen
auf erhebliche Schwierigkeiten stößt. Außerdem bedeuten 1692 Stehbolzen für den
Betrieb die Unterhaltung von 2 X 1692 = 3384 Dichtstellen pro Lokomotive, d. h.
hohe Betriebsunterhaltungskosten, die zu einem großen Prozentsatz nur aus Löhnen,
also aus Arbeitszeiten bestehen. Die Undichtheiten an den Stehbolzen entstehen hauptsächlich
infolge der Differenzdehnungen zwischen der unmittelbar vom Feuer angestrahlten
und darum heißeren Feuerbüchse und dem außenliegenden und deshalb kälteren Stehkessel.
Die Feuerbüchse wächst beim Anheizen stärker als der Stehkessel, behält während
des Betriebes diese größere Ausdehnung bei und geht erst wieder beim Erkalten auf
'das Ausgangsmaß zurück. Die Stehbolzen arbeiten also ständig in den Befestigungsstellen,
und dadurch entstehen allmählich undichte Stellen. Neuerdings versucht man diese
Bewegung der Stehbolzen durch Einbau von kugelbeweglichen Stehbolzen unschädlich
zu machen, ohne befriedigende Resultate trotz großen Aufwandes erzielt zu haben.
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Eine weitaus einfachere Konstruktion als der Feuerbüchskessel ist
der Flammrohrkessel. An die Stelle der Feuerbüchse tritt das in den äußeren Kesselmantel
eingebaute, hinten offene Flammrohr, in welchem die Feuerung untergebracht ist.
Der Vorteil dieser Ausführung gegenüber dem Feuerbüchskessel besteht vor allen Dingen
in dem Fortfall sämtlicher Stehbolzenverbindungen. Nachteilig wirkt sich der hinten
offene Feuerraum aus, weil dadurch gegenüber dem Feuerbüchskessel ein erheblicher
Teil an Strahlungsbeizfläche wegfällt. Der Hauptnachteil besteht in der starren
Verbindung zwischen dem Flammrohr und dem äußeren Kesselmantel, bei welcher keine
Rücksicht auf die Differenzdehnung zwischen dem heißeren Flammrohr und dem kälteren
Außenrohr genommen wurde. Es mußte auch hier eine Komprom.ißlösung gesucht werden,
die man schließlich darin fand, daß das Flammrohr als Wellrohr ausgebildet wurde,
welches die elastischen Verformungen in sich aufnimmt. Derartige Kessel eignen sich
wohl für den stationären Betrieb, sind aber infolge ihrer geringen Steifigheit den
beim Lokomotivbetrieb auftretenden dynamischen Zusatzbeanspruchungen nicht gewachsen
und können daher für den Fahrzeugbetrieb nicht verwendet werden.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, Heizrohrdampferzeuger, insbesondere
für Fahrzeuge mit einer Brennkammer als Druckkörper, in den Verdampfungsraum einzubauen
und mit dem Mantel des Verdampfungsrau.mes durch starre, zweckmäßig rohrförmige
Verbindungsstücke zu vereinigen. Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß der Druckkörper
allseitig in einem den Wasserumlauf sowohl längs als auch quer zurAchse gestattendenAbsitand
von dem Mantel d!°s Verdampfungsraumes angeordnet ist, während die Verbindungsstücke
so angebracht sind, daß sie der unmittelbaren Flammeneinwirkung entzogen und durch
die Verbrennungsluft gekühlt sind. Die Verbindungsstücke können z. B. unter dem
Rost angebracht sein. Die als Druckkörper ausgebildete Verbrennungskammer ist zweckmäßigerweise
an die Schürlochöffnung durch ein elastisches Zwischenglied, z. B. einen Wellrohrkompensator,
mit dem äußeren Kesselmantel verbunden. Der Druckkörper selbst kann durch Ringe
und/oder Längsrippen versteift sein. Auch ist es möglich, den Druckkörper mit einem
JVellrohr auszuführen. Der bzw. die Druckkörper sind mit kreisförmigem Querschnitt
ausgeführt und der rechts Und links vom Druckkörper liegende Wasserraum symmetrisch
zur Längsachse des Kessels so ausgebildet, daß bei Schwankungen quer zur Fahrtrichtung,
z. B. durch die Schräglage von Lokomotiven in Gleiskurven, die Höhe des niedrigsten
Wasserstandes über dem Scheitelpunkt des bzw. der Druckkörper nicht geändert wird.
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Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Kessels ist in _ Fig. i im Längsschnitt
und in Fig. a im Querschnitt dargestellt. In Fig. 3 ist die maschinelle Nietung
eines Kessels mittels hvdraul-ischer Nietpresse gezeichnet; Fig. 4 zeigt den Längsschnitt,
Fig. 5 den Querschnitt eines mit Rippen versteiften Druckkörpers.
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Der Druckkörper a, im Beispiel rotationssymmetrisch als Rohr mit angepreßten,
geschweißten oder genieteten Kugel- oder Korbbogen- oder sonstwie gestalteten Böden
ausgebildet, ist in den äußeren
Kesselmantel b eingebaut. Die biA
über die Decke des Druckkörpers a reichende Wasserfüllung c kann in bekannter Weise
am Wasserstandsglas d abgelesen werden. Über der Wasserfüllung c befindet sich der
Dampfraum e. Im unteren Teil des Druckkörpers a ist der Rost f mit
dem Kohlenbett g. Die Feuertür h schließt die Türöffnung i, durch welche die Kohle
eingebracht wird, nach hinten ab. Die Verbindung zwischen dem Druckkörper a und
dem äußeren Kesselmantel b erfolgt durch die rohrförmigen Verbindungsstücke bei
k, L und m unterhalb des Rostes f. Durch diese Verbindungsstücke strömt
die Verbrennungsluft dem Kohlenbett g zu. Dort findet die Verbrennung statt. Die
entstehende Wärme wird im Verbrennungsraum an die, über dem Rost liegenden Teile
des Druckkörpers a nach oben, nach den Seiten, nach vorn und nach hinten abgestrahlt;
eine weitere Wärmeübertragung findet durch Wärmeübergang von den Rauchgasen teils
im Verbrennungsraum, teils in den in bekannter Weise angeordneten Rauchrohren n
und Siederohren o an die Wandungen und damit an den Wasserinhalt des Kessels statt.
Die Rauchgase strömen durch die Rauchkammer p und den Schornstein q ins Freie ab.
Der im Kessel entstehende Dampf sammelt sich im Dampfraum c und wird über den Dampfsammler
y in bekannter Weise der Kraftmaschine (Dampfmaschine oder Dampfturbine) zugeleitet.
Dadurch, daß der Druckkörper a allseitig vom Wasser umgeben ist, kann sich sowohl
in der Längs- als auch in der Querrichtung eine geschlossene Wasserzirkulation ausbilden.
Die Folge davon ist eine intensive Kühlung des Feuerraumes, d. h. gute Wärmeübertragung
und damit verbunden guter Temperaturausgleich innerhalb des Blechmantels a. Die
Verbindungsstellen zwischen dem Druckkörper a und dem äußeren Kesselmantel
b an den Stellen k, l und m sowie der unterhalb des Rostes
fliegende Teil des Druckkörpers a werden von der Verbrennungsluft intensiv gekühlt.
Eine nennenswerte Temperaturdifferenz zwischen a und b besteht somit an dieser Stelle
nicht; Innen-und Außenwand dehnen sich hier gleichmäßig aus, so daß die Verbindungen
an dieser Stelle in starrer Form ausgeführt werden können. Dadurch entsteht ein
sehr kräftiger, steifer und somit für den Lokomotivbetrieb besonders geeigneter
Kesselkörper. Nach oben hin kann sich der dort intensiv angestrahlte Druckkörper
a jedoch frei dehnen, wodurch Wärmespannungen vermieden werden. Die Verbindungsstelle
zwischen a und b an der Feuerungsöffnung i bedarf einer besonderen Betrachtung,
um zu entscheiden, ob diese Verbindung starr oder elastisch auszuführen ist. Vom
Standpunkt der Festigkeit aus bedarf es hier keiner starren Verbindung mehr, da
die Verbindungsstellen bei k, l und m kräftig genug ausgebildet werden können, um
die statischen und dynamischen Beanspruchungen durch den Kessel- und Fahrbetrieb
aufnehmen zu können. Es ist also zu entscheiden, ob die möglicherweise entstehenden
Differenzdehnungen eine elastische Verbindung not3vendig machen oder nicht. Hierzu
ist zu sagen, daß eine intermittierende Kühlung durch einströmende Verbrennungsluft
immer dann stattfindet, wenn beim Aufwerfen der Kohle die Feuertür geöffnet wird;
eine dauernde Kühlung kann durch stetige Einführung von Sekundärluft durch einen
Schlitz in der Feuertür angebracht werden. Nennenswerte Differenzdehnungen können
hier somit nicht auftreten; überdies kann damit gerechnet werden, daß diese Dehnungen
durch die Elastizität des hinteren Kesselbodens sowie der Rohrwände aufgenommen
werden. Gewünschtenfalls kann aber eine elastische Verbindung, z. B. ein Wellrohrkompensator
v, zwischen a und b an der Feuerungsöffnung eingebaut werden. Die Öffnungen bei
k, L und m dienen nicht nur zur Zuführung der Verbrennungsluft, sondern
auch zur Entfernung von Kohle und Schlacke. Zweckmäßigerweise werden ein oder mehrere
Kratzer t, die durch einen Zug u während des Betriebes oder im Stillstand
zu betätigen sind, eingebaut. Der vordere Kratzer t kann gleichzeitig so ausgebildet
werden, daß er den Raum unter dem Rost nach vorn abschließt und so der Verbrennungsluft
den direkten Zutritt zu den Rauchrohren versperrt.
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Der Vorteil der Ausführung gemäß Erfindung besteht nicht nur darin,
daß die Wärmeübertragung von der glatten Brennkammer an das umgebende und in allen
Richtungen frei zirkulierende Kesselwasser gegenüber den bestehenden Ausführungen
bedeutend verbessert wird, sondern auch darin, daß die Herstellung aller Kesselteile
und ihr Zusammenbau außerordentlich vereinfacht sind. Durch den Fortfall aller Stehbolzen
wird die ganze Bearbeitung und Montage auf die einfachsten Kesselschmiedearbeiten
zurückgeführt; Rollen und Nieten oder Schweißen von zylindrischen Kesselschüssen,
Anpassen und Nieten oder Schweißender Böden und Rohrwände, Einziehen und Einwalzender
Rauch-und Siederohre. Dabei kann die Konstruktion zweckmäßigerweise so ausgebildet
werden, da.ß der innere Druckkörper a, das Flammrohr, für sich vollständig bearbeitet
und zusammengebaut wird und dann in den auf der Rohrseite offenen äußeren Kesselmantel
b eingebracht und durch Nieten oder Schweißen befestigt wird; um dabei mit den Rohren
l und k in die Öffnungen des Kesselmantels b einfahren zu können, ist es zweckmäßig,
die Öffnung für das Schürloch im äußeren Kesselmantel konisch oder exzentrisch auszubilden
und nach dem Zusammenbau durch einen entsprechend ausgebildeten Rings zu schließen.
Die Anwendung maschineller Nietung mit dem Vorteil der Einhaltung vorgeschriebener
Nietdrücke istweitgehend möglich. So kann nach Fig. 3 sogar der gewölbte Boden w
mit dem zylindrischen Schuß des äußeren Kesselmantels b mittels Nietpresse N maschinell
zusammengenietet werden.
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Das auf äußeren Überdruck beanspruchte Flammrohr a kann in einfacher
Weise durch Aufnieten oder Aufschweißen von Verstärkungsringen. x (Fig. .4 und 5)
verstärkt werden. Diese Ringe können z. B. auf Karusselldrehbänken oder in ähnlicher
Weise exakt hergestellt und maschinell angenietet
oder angeschweißt
werden. Das Anpassen an das Flammrohr a. wird wesentlich erleichtert, wenn die Ringe
nach dem Bearbeiten bei y aufgeschlitzt werden, so daß durch einfaches Zusammenpressen
der beiden Enden ein Anpassen an das Flammrohr möglich ist. Es ist auch möglich,
den Druckkörper durch Längsrippen x1 oder durch eine Kombination von Längs- und
Querrippen zu versteifen. Gegebenenfalls kann auch der Mantel b durch Quer- und
Längsrippen x. und x" versteift werden. Um die Wasserzirkulation unter dem
Druckkörper a durch die Rippen nicht zu stören. können die Rippen an den engsten
Stellen zwischen Druckkörper a und Kesselmantel b mit geringerer Höhe
ausgebildet sein. Es ist auch möglich, daß die Rippen am Druckkörper a bzw. am Kesselmantel
b nicht nachträglich aufgeschweißt oder aufgenietet werden, sondern daß schon im
Walzwerk durch entsprechende Formgebung der Walzen die Kesselbleche als Rippenbleche
mit Quer- oder Längsrippen oder mit Quer- und Längsrippen hergestellt werden. Hierdurch
wird eine wesentliche Arbeitsersparnis erzielt. Es ist auch möglich, den Druckkörper
a nicht als glattes Rohr, sondern als Wehrohr auszuführen.
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Der Dampfsammler y- ist als ein über dem Dampfraum e gelesenes Rohr
gezeichnet. Am Ende dieses Rohres ist das Absperrorgan, der sogenannte Regler z
angeordnet. Wenn der Regler N geöffnet wird, strömt der Dampf über den Überhitzer
ü und die Steuerung den Dampfzylindern zu. Bei Normalausführung der Lokomotivkessel
ist der Regler in den unmittelbar über dem Dampfraum angeordneten Dampfdom eingebaut;
das Verbindungsrohr vom Regler zum Überhitzer, das Reglerrohr, liegt im Dampfraum
e. Diese Anordnung ist für eine Überwachung im Betrieb ungünstig, und es ist schon
vorgekommen, daß Reglerrohre undicht wurden und daß durch dies- Undichtheiten Dampf
in die Zylinder strömte i_nd die Lokomotive trotz geschlossenen Reglers zum Fahren
brachte. Diese Gefahr ist bei der vorstehend beschriebenen Anordnung vermieden,
da das Dampfrohr außerhalb des Kessels liegt und da der Regler nicht am Anfang,
sondern am (in Strömungsrichtung gesehen) Ende des als Rohr ausgebildeten Dampfsammlers
eingebaut ist.
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Im Lokomotivbau spielt die Frage der Gewichtsersparnis eine besondere
Rolle. Es wird gefordert, daß der Kesselkonstrukteur sowohl in der Kesselkonstruktion
als auch im Wasserinhalt die Gewichte auf Kleinstwerte vermindert. Eine derartige
gewichtsparende Ausführung, bei der weitgehend von Schweißkonstruktionen Gebrauch
gemacht wurde, ist in Fig. 6 dargestellt. Das Kennzeichnende dieser Ausführung besteht
darin, daß die Durchmesser des Druckkörpers a und der Öffnung <4 des gewölbten
Bodens w des äußeren Kesselmantels b so aufeinander abgestimmt werden, da.ß eine
Einbringung des vollständig zusammengebauten Druckkörpers a in den vollständig zusammengebauten
Kesselmantel b durch die Öffnung A möglich ist. Bei dieser Ausführung
kann der komplette Kessel aus drei für sich vollständig zusammenschweißbaren Einzelteilen,
nämlich dem inneren Druckkörper a, genannt Feuerbüchse, dem äußeren Kesselmantel
b, genannt Kurzkessel und dem langen Kesselteil L, genannt Langkessel hergestellt
«-erden. '-1lit Rücksicht auf die Möglichkeit des Demontierens, z. B. zum Zwecke
der Kesseluntersuchung, ist es zweckmäßig, die Verbindungsstellen zwischen den genannten
drei Einzelteilen bei a, L, k
und i als Nietverbindungen auszuführen. Es ist
zweckmäßig, die Konstruktion so auszuführen, daß sämtliche Nietverbindungen maschinell
genietet werden können.
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Für den Fahrzeugbetrieb, z. B. den Lokomotiv-oder Schiffsbetrieb,
ist es zweckmäßig, den Kessel nach Fig. 7 so auszubilden, daß der Druckkörper a
kreisförmigen Querschnitt erhält und daß der rechts und links vom Druckkörper a
liegende Wasserraum symmetrisch zur Längsachse ausgebildet wird. Es liegen also
rechts und links vom Druckkörper gleiche Wassermengen und beim Schrägstellen des
Fahrzeuges, z. B. bei der Kurvenfahrt von Lokomotiven, bleibt die Höhe des niedrigsten
Wasserspiegels über dem Scheitelpunkt des Druckkörpers a erhalten. Dies ist ein
bedeutender Vorteil gegenüber normalen Stehbolzenkesseln mit ebener oder nur schwach
gewölbter Feuerbüchsdecke.
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Im Betrieb wird sich der Kessel gemäß Erfindung bedeutend günstiger
verhalten, als die bekannten Ausführungen. Undichtheiten können praktisch kaum auftreten,
da keinerlei Stehbolzendichtstellen vorhanden sind. Unterhaltungsarbeiten für Stehbolzen
fallen vollständig fort. Sollte ja, einmal eine der wenigen Nietnähte undicht werden,
so kann die Undichtheit durch Nachstemmen leicht beseitigt werden. Die Lebensdauer
des neuen Kessels ist auch als Fahrzeugkessel praktisch unbegrenzt, während der
Stehl)olzenlokomotivlzessel nur eine sehr beschränkte Lebensdauer hat. Ein besonderer
Vorzug der neuen Kesselbauart ist die glatte, äußere Form, die die Anbringung einer
wirksamen Isolierung besonders erleichtert.
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Der rotationssymmetrisch ausgebildete Verbrennungsraum mit großer
Strahlungsheizfläche ist für die Entwicklung der Flamme und für die Abstrahlung
der Wärme an die umgebenden Wände besonders günstig. Aber auch der Wärmeübergang
von den Flammrohrwänden an das Kesselwasser ist sehr wirksam, da weder die Wasserzirkulation
noch das Aufsteigen der Dampfblasen durch Tausende von Stehbolzenschäften gehemmt
wird. Durch die gewählte Bauart wird überdies die Reinigung des Kessels wesentlich
erleichtert.
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Der vorstehend beschriebene und in den Figuren dargestellte Erfindungsgedanke
kann in verschiedener Weise abgewandelt werden. So können die Öffnungen und Verbindungsstellen
k, l und in vermehrt oder vermindert werden; die Öffnungen können rund, oval
usw. ausgeführt werden. Statt des glatten Druckkörpers a kann auch ein als Wellrohr
ausgebildeter Körper verwendet werden usw. Die Feuerung kann für Handbeschickung
oder mechanische Beschickung ausgebildet werden; es ist
auch möglich,
einen Wanderrost einzubauen. An Stelle von Kohle kann auch Kohlenstaub,
Öl oder Gas verfeuert werden.
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Es können auch zwei oder mehrere Druckkörper a in den Kesselmantel
b eingebaut werden.