DE102007049464A1

DE102007049464A1 - Steuerung des Einlasses einer mit Gasdruck betriebenen Kolbenmaschine insbesondere einer Dampfmaschine

Info

Publication number: DE102007049464A1
Application number: DE200710049464
Authority: DE
Inventors: Armin Burghauser Jun.; Armin Burghauser sen.
Original assignee: BURGHAUSER JUN ARMIN
Current assignee: BURGHAUSER JUN ARMIN
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2009-04-23

Abstract

Einlasses einer mit Gasdruck betriebenen Kolbenmaschine insbesondere einer Dampfmaschine. Die bei vielen Prozessen anfallende Abwärme, insbesondere die Abwärme von Gasmotoren in Biogasanlagen, lässt sich oft nicht vor Ort verwerten. Erstrebenswert währe aber eine Nutzung durch eine mit Abwärme betriebene ORC-Dampfmaschine mit hohem Wirkungsgrad. Zudem kann die Erfindung auch zur Wirkungsgradverbesserung in herkömmlichen Dampfmotoren eingesetzt werden. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Steuerung den Einlass des Dampfes im Bereich der Mittellage der Steuerkurbel 2 öffnet und mittels der zweiten Steuerkante 8 wieder schließt. Die Steuerkurbel 2 läuft mit der halben Drehzahl der Kurbel 1, um eine Öffnung der Dampfzufuhr nach Drehung der Kurbel 1 um 180° zu vermeiden. Die schnelle Schließung reduziert den durch hohe Dampfgeschwindigkeit hervorgerufenen Druck- und Enthalpieverlust und führt zu hohem Wirkungsgrad der Dampfmaschine und zu erhöhter Ausbeute an elektrischer Energie (Fig. 2).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenmaschine gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.
Bei Dampfmaschinen wird der Einlass durch eine Steuerkante eines Schiebers geöffnet, kurz bevor der Kolben seinen Totpunkt erreicht, um bei Arbeitsbeginn den vollen Dampfdruck im Zylinder zu erreichen. Der Schieber wird dabei von einer Steuerkurbel angetrieben, welche gegen die Kurbel um einen bestimmten Winkel verdreht ist, um die gewünschte Voreinströmung zu erzielen. Die Steuerkurbel läuft dabei mit der gleichen Drehzahl wie die Kurbel um. Das Schließen des Einlasses durch die Steuerkante verläuft dabei sehr schleppend, insbesondere bei kleinen Füllungen. Die Folge ist ein drastischer Druckverlust durch Drosselung einerseits und Geschwindigkeitsdruckverlust andererseits, da die durch den geringen Spaltquerschnitt gegen Ende der Einströmung hervorgerufene hohe Dampfgeschwindigkeit durch ein entsprechendes Enthalpie- und Druckgefälle erkauft wird. Kleine Füllungen sind aber für einen guten Wirkungsgrad unabdingbar, um einerseits mit hohem Dampfdruck und gleichzeitig mit hoher Expansion zu arbeiten.
Ausgehend von diesem allgemeinen Stand der Technik bei Kolbendampfmaschinen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Druckverlust bei der Einströmung, insbesondere gegen Ende der Einströmung, signifikant zu verringern ohne nennenswerten baulichen Mehraufwand.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.
Dem allgemeinen Erfindungsgedanken folgend wird das Öffnen des Einlasses und insbesondere das Schließen des Einlasses symmetrisch zur Mittellage der Steuerkurbel durchgeführt also in einem Bereich, in dem der Schieber seine höchste Geschwindigkeit aufweist. Je kleiner die Füllung der Maschine gewählt wird, um so mehr rücken die Steuerkanten in den Bereich höchster Geschwindigkeit und umso kleiner die Phase der Drosselung. Im Gegensatz dazu erfolgt die Schließung des Einlasses nach dem allgemeinen Stand der Technik mit abnehmender Füllung bei immer kleiner werdender Geschwindigkeit, entsprechend dehnt sich die Phase der Drosselung. Zudem wird der Weg des Schiebers zwischen Einlassbeginn und Einlassende drastisch kleiner, so dass gravierende Verluste vorprogrammiert sind. Der zusätzliche bauliche Aufwand beschränkt sich erfindungsgemäß auf ein Ritzel und ein Zahnrad oder ein vergleichbares Getriebe. Diese Bauteile können zudem klein dimensioniert werden, da die Steuerung vollkommen druckausgeglichen arbeitet. Vorteilhafte bauliche Ausführungen des Steuerungsmechanismus bzw. Schiebers sind dem Unteranspruch 2 bzw. 3 zu entnehmen.
Die Erfindung ist anhand von Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
1 Maschine zu Beginn der Einströmung des ersten Arbeitstaktes
2 Maschine am Ende der Einströmung des ersten Arbeitstaktes
3 Maschine mit Stellung der Kurbel am Ende der Expansion des ersten Arbeitstaktes
4 Maschine mit Stellung der Kurbel nach Drehung um 360° gegenüber Stellung nach 1 des ersten Arbeitstaktes bzw. am Beginn des zweiten Arbeitstaktes
5 Maschine am Ende der Einströmung des zweiten Arbeitstaktes
6 Kurbeltrieb
7 Steuerschieber
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäß ausgebildete Dampfmaschine mit Steuerung. Eine Kurbel 1 und eine Steuerkurbel 2 laufen gegensinnig in den durch Pfeile markierten Drehrichtungen. Die Drehzahl n₁ der Kurbel 1 verhält sich erfindungsgemäß zur Drehzahl n₂ der Steuerkurbel 2 wie 2:1. Die gegensinnigen Drehrichtungen sind das Resultat des beispielhaft verwendeten Zahnradgetriebes zur Untersetzung der Drehzahl der Kurbel 1 auf die Drehzahl der Steuerkurbel 2 wie in 6 dargestellt. Die Drehrichtung der Steuerung hat keinen Einfluss auf die Funktion, weswegen auch andere Untersetzungsgetriebe mit schlupffreiem Lauf zur Anwendung kommen können. Ausgehend von der Stellung der Kurbel 1 und der Steuerkurbel 2 nach 1 werden in allen nachfolgenden 1 bis 5 zur Erläuterung der Betriebsphasen der Drehwinkel der Kurbel 1 mit α und der Drehwinkel der Steuerkurbel 2 mit β bezeichnet. In der dargestellten Betriebsphase beginnt in einem Winkel γ (α = 0°) vor OT in Drehrichtung der Kurbel 1 gesehen die Voreinströmung. Zu diesem Zweck öffnet ein Schieber 3 mittels einer ersten Steuerkante 4 den Einlass des Dampfes zu einem Zylinder mit einem Kolben 5. Der Dampf strömt über eine Bohrung 6 und einen Einströmkanal 7 in den Zylinder und treibt den Kolben 5. Die Steuerkurbel 2 steht zu diesem Zeitpunkt unter einem Winkel δ (β = 0°) vor ihrer Mittellage in Drehrichtung der Steuerkurbel 2 gesehen. Da die Steuerung erfindungsgemäß symmetrisch zur Mittellage der Steuerkurbel 2 aufgebaut ist, ergibt sich der Winkel δ = ε/4, wobei ε den Drehwinkel der Kurbel 1 vom Beginn der Einströmung bis zum Ende der Einströmung bezeichnet, in 1 gepunktet dargestellt.
2 zeigt eine Betriebsphase der Maschine nach einer Drehung der Kurbel 1 um einen Drehwinkel α = ε. Die Ausgangslage der Kurbel 1 nach 1 (α = 0°) ist strichliert gezeichnet. Die Maschine befindet sich nun am Ende der Einströmung, also zu Beginn der Expansion. Eine zweite Steuerkante 8 des Schiebers 3 schließt den Einlass. Die Steuerkurbel 2 hat sich gegenüber der gestrichelt dargestellten Ausgangsstellung nach 1 um einen Drehwinkel β = ε/2 gedreht aufgrund der Getriebeübersetzung von 2:1 zwischen der Kurbel 1 und der Steuerkurbel 2. Man erkennt ohne weiteres, dass sich die Steuerkurbel 2 am Ende des Einlasses in der Nähe ihrer Mittellage befindet, also in einem Bereich, in dem sich der Schieber 3 mit seiner höchsten Geschwindigkeit bewegt. Durch die hohe Geschwindigkeit der zweiten Steuerkante 8 am Ende der Einströmung wird der Dampfzutritt zum Einströmkanal 7 sehr schnell geschlossen, wodurch die Drossel- und Druckverluste, die durch hohe Einströmgeschwindigkeit hervorgerufen werden, signifikant vermindert werden.
3 zeigt die Kurbel 1 in UT-Stellung des Kolbens 5. Der Drehwinkel beträgt α = 180° + γ. Über einen Auslassschlitz 9 kann der Dampf in dieser Stellung nach seiner Expansion abströmen. Die beiden Steuerkanten 4 und 8 des Schiebers 3 sperren den Zutritt des Dampfes zum Einströmkanal 7. Durch die mit halber Drehzahl der Kurbel 1 umlaufende Steuerkurbel 2 wird verhindert, dass bereits nach einer Drehung der Kurbel 1 um α = 180° wieder Dampf über Einströmkanal 7 einströmen kann. Der hohe bauliche Aufwand eines zweiten Schiebers oder dergleichen wird erfindungsgemäß vermieden.
4 zeigt die Maschine in einer Betriebsphase nach Drehung der Kurbel 1 um den Drehwinkel α = 360° gegenüber der Betriebsphase nach 1, am Ende des ersten Arbeitstaktes bzw. zu Beginn des zweiten Arbeitstaktes. Da die Drehzahl n₂ der Steuerkurbel 2 nur die Hälfte der Drehzahl n₁ der Kurbel 1 beträgt, öffnet die Steuerkurbel 2 nach einer Drehung um β = 180° mittels der zweiten Steuerkante 8 den Zutritt des Dampfes über die Bohrung 6 und den Einströmkanal 7.
5 zeigt die Maschine während des zweiten Arbeitstaktes nach Drehung der Kurbel 1 um den Drehwinkel α = 360° + ε zur gestrichelt dargestellten Ausgangslage nach 1. Die Steuerkurbel 2 hat sich um den Winkel β = 180° + ε/2 gegenüber 1 gedreht. Die Maschine befindet sich analog 2 nun am Ende der Einströmung, also zu Beginn der Expansion. Während in 2 die Steuerkante 8 des Schiebers 3 den Einlass schließt, erfolgt dies während des zweiten Arbeitstaktes der Maschine durch die Steuerkante 4. Im Weiteren wiederholen sich die Arbeitstakte, wie oben beschrieben, jeweils abwechselnd.
6 zeigt schematisch den Antrieb des Schiebers 3 ausgehend von der Kurbel 1. Die Kurbel 1 sitzt auf einer Kurbelwelle 10, welche drehfest mit einem Ritzel 11 verbunden ist. Das Ritzel 11 überträgt seine Drehbewegung auf ein Zahnrad 12, welches wiederum über eine Steuerwelle 13 mit der Steuerkurbel 2 drehfest verbunden ist. Die Zähnezahl z₁ des Ritzels 11 verhält sich zur Zähnezahl z₂ des Zahnrades 12 wie 1:2, so dass erfindungsgemäß die Steuerkurbel 2 mit der halben Drehzahl der Kurbel 1 umläuft.
7 zeigt eine vorteilhafte Ausführung des Schiebers 3 als Hohlschieber mit der zentralen Bohrung 6 und radial verlaufende Bohrungen 14, die in eine Ringnut 15 münden wobei die Seitenwände der Ringnut die erste Steuerkante 4 und die zweite Steuerkante 8 bilden. Der Antrieb des Schiebers 3 erfolgt dabei über eine Schieberstange 16. Zum Ausgleich der Druckkräfte sind Ausgleichsbohrungen 17 vorgesehen.
Die Ausführung als einfachwirkende Gleichstrommaschine in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Steuerung ist nur als Ausführungsbeispiel zu sehen. Die Maschine kann auch als Gegenstrommaschine mit gesondertem Auslassorgan ausgeführt sein, was aber den baulichen Aufwand erhöht und den thermischen Wirkungsgrad verschlechtert, so dass die Gleichstrommaschine zu favorisieren ist.

Claims

Steuerung des Einlasses einer mit Gasdruck betriebenen Kolbenmaschine, insbesondere einer Dampfmaschine, bei der ein durch eine Steuerkurbel angetriebener Schieber mittels einer ersten Steuerkante die Dampfzufuhr zu einem Einströmkanal öffnet, wobei sich die Kurbel in deren Drehrichtung gesehen in einem Voreilwinkel γ vor ihrem oberen Totpunkt befindet, und die Dampfzufuhr nach Drehung der Kurbel um einen Drehwinkel α = ε durch einen Schieber wieder abgesperrt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Steuerkurbel 2 bei Einlassöffnung durch die erste Steuerkante 4 in Drehrichtung der Steuerkurbel 2 gesehen in einem Winkel δ = ε/4 vor der Mittellage der Steuerkurbel 2 befindet, dass die Einströmung nach einer Drehung der Steuerkurbel 2 um den Winkel β = ε/2 durch eine zweite Steuerkante 8 des Schiebers 3 beendet wird und dass die Steuerkurbel 2 mit der halben Drehzahl der Kurbel 1 umläuft.
Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbel 1 drehfest mit einer Kurbelwelle 10 und die Steuerkurbel 2 drehfest mit einer Steuerwelle 13 verbunden ist, dass mit der Kurbelwelle 10 ein Ritzel 11 drehfest verbunden ist, welches mit einem drehfest mit der Steuerwelle 13 verbundenen Zahnrad 12 kämmt und dass sich die Zähnezahlen z₁ von Ritzel 11 und z₂ von Zahnrad 12 wie 1:2 verhalten.
Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber 3 als ein Hohlschieber ausgebildet ist, derart, dass der Dampf über die zentrale Bohrung 6 und radial verlaufende Bohrungen 14 zuströmt und dass die radialen Bohrungen 14 in eine Ringnut 15 münden, wobei die Seitenwände der Ringnut 15 die erste Steuerkante 4 und die zweite Steuerkante 8 bilden.