DE149960C - - Google Patents

Description

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KAISERLICHES

PATENTAMT,

PATENTSCHRIFT

- JVH 49960
KLASSE 14«.

Den Gegenstand vorliegender Erfindung

bildet eine mit Dampf, Druckluft oder einem ähnlichen Treibmittel betriebene Maschine, bei der die Kraft durch ein Gesperre auf die Hauptwelle übertragen wird.

Die Maschine weist als besondere Merkmale den veränderlichen Hub des Kolbens, die plötzliche Einströmung des Dampfes und die besondere Verbindung zwischen dem Kondensator und dem Raum auf, in welchem der Dampf arbeitet.

Auf der Zeichnung ist die Maschine in einem Ausführungsbeispiel in Fig. ι im senkrechten Schnitt dargestellt.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht von vorn.

Fig. 3 ist ein wagerechter Schnitt nach der Linie A-B der Fig. 1.

Fig. 4 zeigt eine Abart der Maschine in Seitenansicht.

Die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Diagramme veranschaulichen die Arbeit der vorliegenden Maschine im Vergleich zu derjenigen einer gewöhnlichen Dampfmaschine.

Der Zylinder besteht aus zwei Teilen, dem unteren Teil α mit dem Dampfmantel b (Fig. 1 und 3) und dem oberen Teil a¹ ohne Dampf-, mantel. Zwischen die beiden Zylinderteile ist eine wärmeisolirende Zwischenlage c ein-

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geschaltet.

Der aus einem mit gewöhnlichen Kolbenringen versehenen Hohlkörper bestehende Kolben d nimmt, sobald er am tiefsten Punkt seines Hubes angelangt ist, den ganzen inneren Raum des unteren. Zylinderteils α ein; der Hub dieses Kolbens ist gleich seiner Höhe, derart, daß seine untere Fläche niemals aus dem Teil des Zylinders hinausgeht, der von dem Dampfmantel umgeben ist.

Der Kolben d besitzt in seinem mittleren Teil ein Lager für die Kolbenstange e, die ohne Keil eingesetzt ist, wodurch die Zentrierung der Teile /wesentlich erleichtert wird. In dem ringförmigen Teil zwischen dem Kolbenstangenlager und dem die Kolbenringe aufnehmenden Zylinder sind in dem Kolbenkörper ein oder mehrere Ventile/ (Fig. 1) angeordnet, von denen jedes von einer Feder g beeinflußt wird, welche dieselben beständig zu öffnen sucht. Die Ventile werden durch den Druck geschlossen, der im Innern des Zylinders herrscht. Sobald daher der Druck auf die Oberseite des Kolbens, vermehrt um den Druck der Feder g, den Druck unter dem Kolben d überschreitet, werden sich das Ventil oder die Ventile f öffnen und eine Verbindung zwischen den beiden Seiten des Kolbens herstellen.

In dem oberen Zylinderteil a¹ ist ein kleiner seitlicher Kanal h vorgesehen, der durch Öffnungen h¹ h'² mit dem oberen Teil der Zylinder α und α¹ ifi Verbindung steht.

Infolgedessen wird, sobald der untere Teil des Kolbens d bei seiner Aufwärtsbewegung die Öffnung h^l passiert hat, das Gleichgewicht zwischen den oberen und unteren Zylinderteilen α und a¹ durch den Kanal h her-

Verein deutsch ^ Jngsnisur?·

a.

gestellt und das Ventil f öffnet sich unter der Wirkung seiner Feder g, wenn dies nicht bereits vorher geschehen ist.

Die Zuführung des Dampfes am Boden des Zylinders α wird durch einen zylindrischen rostartigen Schieber i bewirkt, der wagerecht angeordnet ist und unter der Wirkung einer Feder j steht, die bestrebt ist, ihn in die in Fig. ι dargestellte Offenstellung zu bringen.

ίο . Der Dampf tritt durch eine Öffnung k in das Innere des Schiebers i und wird durch einen weiten von dem unteren Teil des Dampf mantels b ausgehenden Kanal zugeführt.

ig Die zur Steuerung des Schiebers i dienende Einrichtung ist folgende:

Der Schieber i besitzt eine Stange z^l, die durch eine Stopfbüchse z"² hindurchgeht und einen Einschnitt z'³ besitzt und am Ende eine Rolle i⁴ trägt.

Gegen diese Rolle i^l stützt sich ein um den Zapfen l^l drehbarer Winkelhebel /, der von einer Stange Z³ bewegt wird. Die Stange /³ ist am Ende eines kleinen Balanciers /⁴ angelenkt, der um die Achse Z⁵ schwingt und dessen anderes Ende der Wirkung einer später noch zu beschreibenden Hubscheibe unterworfen ist.

Sobald die Stange 2¹ durch den Daumenhebel / zurückgestoßen wird, kommt der Einschnitt i³ unter eine Klinke m zu stehen, die um einen Zapfen m¹ (Fig. 2) drehbar ist und unter der Wirkung einer Feder m² steht. Die Klinke m fällt in den Einschnitt i³ ein und hält den Schieber in Stellung, derart, daß die. Einströmöffnungen im Boden des Zylinders α verschlossen werden. Die Anhebung der Klinke m wird durch eine Stange m³ bewirkt, die durch einen drehbar angeordneten Ring mⁱ geführt und durch eine Hubscheibe in später noch zu beschreibender Weise bewegt wird.

Im oberen Zylinderteil a¹ ist ein rostartiger Schieber η vorgesehen, der den Zweck hat, diesen Teil des Zylinders von dem Kondensator zu trennen. Der Schieber η wird von einem Kolben 0 gesteuert, der sich in einem an den Zylinder α angrenzenden und mit dessen unterem Teil in Verbindung stehenden kleinen Zylinder bewegt.

Eine Leitung ρ vereinigt den über dem Kolben 0 gelegenen Teil und das Gehäuse n^l des Schiebers n, um in beiden Räumen denselben Druck aufrecht zu erhalten. Der KoI-ben 0 wird von einer Feder o¹ beeinflußt, die ihn beständig nach abwärts zu führen und in die Schlußstellung zu bringen sucht.

Die Umwandlung der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens in die drehende Bewegung der Triebwelle wird in bekannter Weise durch eine Klinken- bezw. Schaltradanordnung bewirkt. Auf der Triebwelle sitzt ein Schaltrad fest, während ein Ring r drehbar auf der Welle angeordnet ist. Dieser Ring trägt die Sperrklinke, die in der einen Drehrichtung die Kupplung mit der Welle bewirkt, in der anderen aber eine freie gegenseitige Bewegung der Teile gestattet.

An dem Ring r sitzt ein Arm t, der durch eine kleine Stange i¹ und einen Zapfen ?² mit der Kolbenstange e verbunden ist. An dem Ring r sind ferner zwei Hubstellen r¹ r² (Fig. ι und 2) vorgesehen, welche die beiden oben erwähnten Stangen /³ und m^s bewegen.

Die Rückführung des Kolbens d und der zugehörigen Teile in ihre anfängliche Stellung wird durch einen kleinen Hilfszylinder u bewirkt, in dem sich ein Kolben u^l bewegt, der mit dem oberen Ende der Kolbenstange e verbunden ist. Der Zylinder u erhält Dampf in seinem oberen Teile von der Dampfleitung aus; der Dampf tritt durch die Öffnung ν aus und wird durch Zweigleitungen n> nachder Dampfkammer der doppelten Hülle b des Zylinders α geführt.

Der Zufluß des Dampfes unter den Treibkolben wird durch ein in jeder Abzweigung w vorgesehenes, von y aus beeinflußtes Ventil geregelt.

Der Regulator kann von beliebiger Bauart sein.

Die vorliegende Maschine wirkt in folgender Weise:

Der durch das obere Ventil eingelassene Dampf wirkt auf den Kolben u^l und sichert die Stellung der Teile, wie in Fig. 1 dargegestellt ist.

Durch die Öffnung ν und die Abzweigungen n> geht der Dampf durch das Regulatorventil hindurch und strömt in die Kammer b und von dort in das Innere des Schiebers i. Er strömt durch die Zuflußkanäle dieses Schiebers hindurch und treibt den Kolben d heftig empor, wobei das Ventil/105 unter Zusammendrückung der Feder g geschlossen wird.

Die von dem Kolben d mitgenommene Stange e dreht mit Hilfe der Stange t¹ und des Armes t den Ring r um einen gewissen Winkel, und die Welle q erhält eine Drehbewegung.

Gleichzeitig mit dem Ring r verändert der mit demselben verbundene Hubdaumen r¹ seine Lage, indem er den Balancier Z⁴ herunterdrückt und dadurch die Stange P hebt, die dem Daumenhebel / eine Winkelbewegung erteilt, welche auf die den Schieber i bewegende Stange i¹ übertragen wird. Die Zuflußkanäle nach dem Zylinder werden verschlossen und die auf der Stange i¹ gleitende Klinke m fällt in den Einschnitt i³ ein, wo-

durch der Schieber während des übrigen Teils dieser Phase in der Schlußstellung verbleibt.

Während dieser Zeit setzt der Kolben d seinen Hub fort' und wird zunächst durch die Expansion der unter dem Kolben eingeschlossenen Dampfmenge und dann durch die erhaltene Gesctwmdigkeit vorwärts getrieben. . In dem Augenblicke, wo die Expansion der

ίο Dampf menge so weit getrieben ist, daß der im Kondensator vorhandene Druck, zusammen mit der Spannkraft der Feder g, die Dampfspannung überwiegt, wird sich das Ventil f öffnen und Druckausgleich auf beiden Kolben-Seiten eintreten.

Wenn dieses Öffnen des Ventils zu spät erfolgen sollte, sei es, daß der anfängliche Druck zu stark war, oder die Zuflußperiode zu lange gedauert hatte, so wird das Spiel des Ventils durch den oben beschriebenen Verbindungskanal h gesichert.

Es ist gleichfalls oben gezeigt worden, wie der Schieber η die Verbindung" mit dem Kondensator abschließt, wenn der Druck auf beiden Seiten des Kolbens 0 der gleiche ist, dieselbe aber öffnet, sobald der Druck auf der unteren Seite größer wird als der Druck auf der oberen Seite.

Wenn der Druck auf beiden Seiten des Treibkolbens d derselbe ist, so wird dieser sich nur noch infolge der lebendigen Kraft bewegen und, da er den Gegendruck des durch Gegendampf beeinflußten Kolbens u¹ und auch' die Widerstände der Kolbenringe überwinden muß, seine Bewegung schnell aufgehoben und seine Geschwindigkeit gleich Null werden.

In diesem Augenblicke erlangt der Gegenkolben ti¹ das .Übergewicht und führt den KoI-ben d in seine anfängliche Stellung am Boden des Zylinders α zurück; der Ring r erhält dabei eine zu der oben erwähnten entgegengesetzte Winkelbewegung, bei der die Welle q nicht mitgenommen wird, d. h. er kann sich frei zurückbewegen, ohne die Drehbewegung der Welle q zu hindern, die -infolge der angenommenen Geschwindigkeit fortfährt, sich immer in demselben Sinne zu drehen.

Während des Abwärtshubes treibt der KoI-ben d den im unteren Teil a des Zylinders befindlichen Dampf durch das Ventil/ in den oberen Teil a^l und bewegt sich also beständig in einer Dampfmenge.

Da der Schieber η den oberen Teil a' des Zylinders und andererseits der Schieber i den unteren Teil desselben abschließt, so kann der letztere niemals in Verbindung mit dem Vakuum des Kondensators kommen; es ergibt sich daraus, daß der obere Teil a¹ dieses Zylinders zwischen dem warmen Teil a des Zylinders und dem abkühlenden Raum des Kondensators die Rolle einer Schleuse spielt. ' .

Dem Ende des Hubes des Kolbens d entspricht die äußerste Schwingung des Ringes r; der Vorsprung r'³ bewirkt alsdann das Anheben der Stange m^s, welche die Klinke m anhebt und auf diese Weise die Sperrung der Stange i¹ und des Schiebers i auslöst, der unter der Wirkung seiner Feder j plötzlich in die den Dampfzufluß nach dem Zylinder freigebende Stellung schnellt. Nun tritt Dampfdruck unter den Kolben d und den kleinen Kolben 0. Dieser drückt seine Feder o¹ zusammen und öffnet den Schieber n, der die Verbindung mit dem Kondensator steuert. Das Vakuum- tritt also oberhalb des Kolbens d in demselben Augenblick ein, wo er auf seiner Unterseite das Maximum des Dampfdruckes erhält und ein Stoß infolge der lebendigen Kraft des Dampfes senkrecht auf die untere Kolbenseite trifft.

Durch die eben beschriebenen aufeinander folgenden Vorgänge wird die Drehbewegung der Welle q hervorgebracht, die durch Schwungräder noch geregelt werden kann.

Die Regulierung der vorliegenden Maschine erfolgt nicht durch eine Veränderung der Expansionsperiode, sondern durch die Veränderung des Admissionsdrucks. Diese Wirkung wird durch einen Regulator y erzielt, der ein den Zufluß des Dampfes regelndes Drosselventil steuert. Diese Art der Regelung ist vorzuziehen, weil dabei die Organe der Steuerung nicht mit dem Geschwindigkeitsregulator verbunden zu werden brauchen. Der Regulator wird von. einer sich mit konstanter Geschwindigkeit und im umgekehrten Sinne zur Triebwelle sich drehenden Gewichtsanordnung gebildet und die Masse ist mit einem mit der Welle fest verbundenen Organ durch ein Differentialgetriebe verbunden; solange die Masse und die Welle sich mit gleicher Geschwindigkeit drehen, bleibt das Differentialgetriebe unbeweglich im Räume, sobald aber die Masse der Welle voreilt oder gegen dieselbe zurückbleibt, dreht sich das Differentialgetriebe nach der einen oder anderen Richtung und veranlaßt eine Verstellung' des Drosselventils.

In Fig. 4 ist eine Abart der Maschine dargestellt, die eine Verminderung der Höhe der Maschine gestattet. Bei dieser Ausführungsform ist der Hilfszylinder 11, in dem sich der Gegenkolben ii^l bewegt, seitlich neben dem Hauptzylinder in dem Dampfmantel desselben angeordnet. Der Ring r ist mit einem Balancier verbunden, dessen eines Ende mit der Kolbenstange des Treibkolbens und dessen anderes Ende mit der Kolbenstange des Gegenkolbens gelenkig verbunden ist.

Die Kolbenstange des Hauptkolbens ist

durch eine Gleitstange ^ geführt, obwohl ihre Beanspruchung nahezu immer in einer durch ihre Achse gehenden Ebene erfolgt.

Die Einzelheiten der vorliegenden Maschine können Abänderungen erfahren. So kann man z. B. die zylindrischen Schieber mit geradliniger, hin- und hergehender Bewegung durch Flachschieber oder Drehschieber mit schwingender Bewegung oder auch durch

ίο Ventile ersetzen.

Statt der Übertragung durch Stangen und Hubscheiben kann man auch eine elektrische, pneumatische oder hydraulische Übertragung oder andere Übertragungsmittel anwenden.

Es wird auch vorbehalten, die Verbindung zwischen den beiden Seiten des Kolbens nicht nur durch in dem Kolben vorgesehene Ventile, sondern auch durch äußere, von selbsttätigen Verschlußorganen gesteuerte Kanäle zu bewirken.

Die vorliegende Anordnung kann sowohl für senkrechte, wagerechte als geneigt liegende Maschinen Anwendung finden.

Obgleich es im vorstehenden als vorteilhaft bezeichnet ist, die Rückführung des Kolbens in die Ausgangsstellung durch einen Dampf kolben zu bewirken, so ist auch beabsichtigt, für gewisse Anwendungen diesen Dampfgegenkolben namentlich für kleine Kräfte durch eine Feder zu ersetzen oder durch elektrische Wirkungen, pneumatische oder hydraulische oder Gewichtswirkungen.

Für große Maschinen können die Federn auch durch luftleere oder mit komprimierter Luft gefüllte Töpfe ersetzt werden.

Es können mehrere Maschinen auf einer gemeinsamen Welle arbeiten, um eine Compoundanordnung oder durch paarweise Anordnung einen regelmäßigeren Gang zu erzielen, oder um eine Gangänderung hervorzubringen durch Kupplung oder Entkupplung der Mitnehmerorgane, welche im allgemeinen nur in einem Sinne wirken können.

Im folgenden sind die mit der vorliegenden Maschinenanordnung und der Vereinigung der einzelnen bereits bekannten Organe erzielten Vorteile näher angegeben.

Die Anordnung, die dem Kolben einen veränderlichen Hub ermöglicht, weist wesentliche \/^Torteile auf.

Wenn man beispielsweise das in Fig. 5 dargestellte Diagramm betrachtet, in dem eine gegebene Expansion angenommen ist, so kann man, um die verfügbare Arbeit zu verändern, nicht anders vorgehen, als daß man entweder den Anfangsdruck oder die Länge der Expansion vermindert.

In dem einen wie in dem anderen Falle wird aber die Kurve die Abszisse vor dem Ende des Hubes schneiden, und der Kolben wird daher hinter sich ein Vakuum herstellen, was Kraft erfordert und unter Umständen Unfälle hervorrufen kann, wenn dies Vakuum größer ist als dasjenige des Kondensators. Es ergibt sich also, daß bei einer Maschine mit festem Hub die Expansion, welche die ökonomisch günstigste für die volle Arbeit ist, nicht für eine verminderte Arbeit verändert werden kann.

Wenn dagegen der Hub veränderlich ist, und wenn der Kolben zurückgeht, sobald ein bestimmter Drückausgleich auf beiden Seiten des Kolbens hergestellt ist,' so treten die bei unveränderlichem Hub sich zeigenden Mängel nicht auf. Hierbei ist es notwendig, daß der Hub des Kolbens nicht an die Drehung" der Welle gebunden ist. Zu diesem Zweck ist bei der beschriebenen Ausführungsform der Maschine eine Klinkenanordnung vorgesehen; ,diese könnte auch durch irgend eine andere für den Zweck geeignete Einrichtung ersetzt werden. Man könnte beispielsweise die Klinken durch ein Ronengetriebe ersetzen, dessen eine Rolle fest mit der Triebwelle verbunden ist, während die andere lose ist und dazu dient, die Kolbenstange gegen die Triebwelle zu pressen.

Die punktierten Linien in Fig. 5 zeigen, daß wenn man die ursprüngliche Einströmung auf zwei Drittel vermindert, der Hub des Kolbens in demselben Verhältnis vermindert werden muß; ebenso müßte, wenn der An- fangsdruck auf die Hälfte reduziert wird, der Hub des Kolbens auf die Hälfte vermindert werden. Dieser veränderliche Hub ermöglicht also noch, die verfügbare Arbeit zu verändern, indem man, ehe die Expansion weit getrieben wird, das Gleichgewicht auf beiden Kolbenseiten herstellt, das die Rückkehr des Kolbens zu seinem Ausgangspunkt veranlaßt; man würde also eine Reihe Diagramme, wie in Fig. 6 angedeutet, erhalten. Die Summe dieser Diagramme zeigt eine viel größere Fläche als das in Fig. 5 dargestellte Diagramm. Man vermehrt also auch die Kraftleistung der Maschine, ohne ihre Abmessungen zu verändern.

Diese Anordnung des. Kolbens mit veränderlichem Hub führt zur Erlangung eines Dampf Zylinders mit veränderlichem Volumen entsprechend den Anforderungen der Arbeit. Diese Eigenschaft der Maschine ist sehr wesentlich bei allen Anwendungen der Ma- schine, bei denen eine Veränderung der Arbeit stattfindet, wie z. B. bei Anwendung der Maschine in industriellen Betrieben oder als Zugmittel.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Dampfmaschine mit Übertragung der Kraft auf die Triebwelle mittels Gesperre, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben

   einen veränderlichen Hub hat und der auf einer Kolbenseite zugeführte Dampf, Druckluft o. dgl. den Kolben bis zu dem Augenblick vorwärts treibt, wo der auf ihn ausgeübte Druck einen durch den zu über-« \vindenden' Widerstand bestimmten Wert erreicht hat und der Kolben alsdann durch irgend eine Rückzugkraft in seine Ausgangsstellung zurückgeführt wird und wobei der Antrieb der Steuerung von der Bewegung der Triebwelle unabhängig gemacht ist und die Regelung der Be-Avegung in bekannter Weise durch Drosseln des- Eintrittsdämpfes erfolgt.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.