DE243631C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Das Hauptkennzeichen der sogenannten Gleichstromdampfmaschinen mit durch den Arbeitskolben gesteuerten Auslaßschlitzen besteht bekanntlich darin, daß zwischen Ein-Strömung und Ausströmung in der Weise scharf unterschieden wird, daß einerseits kein Dampfsteuerorgan gleichzeitig zum Ein- und Auslassen von Dampf benutzt wird, und daß die Dampfrichtung im Zylinder nicht umgekehrt wird. Dadurch wird dafür gesorgt, daß die durch den heißen Admissionsdampf erhitzten Teile von Steuerung und Zylinder mit den abgekühlten und wasserenthaltenden, für den Austritt bestimmten Dampfteilen nicht in Berührung kommen.

Die für die Steuerung des Dampfaustritts in der Zylinderwand anzubringenden, vom Kolben zu steuernden Äuslaßschlitze geben bei der Eröffnung einen außerordentlich großen Strömungsquerschnitt für den Dampf her, so daß eine fast plötzliche Zylinderentleerung eintritt. Andererseits bedingt der Dampfaustritt durch solche Dampfauslaßschlitze aber regelmäßig eine große Kompression, welche im Durchschnitt gemäß den üblichen 10 Prozent Vorausströmung go Prozent des Kolbenweges beträgt.

Diese bedeutende * Kompression macht es notwendig, bei Kondensationsmaschinen mit einem vorzüglichen Vakuum zu arbeiten, wodurch es gelingt, mit einem schädlichen Raum von 2 Prozent und weniger auszukommen. Handelt es sich um eine Maschine mit Auspuff, also mit atmosphärischem Gegendruck, so nimmt der schädliche Raum zur Unterbringung des komprimierten Dampfes schon ganz erheblich zu, und man kann in der Praxis dann unter 16 Prozent nicht heruntergehen.

Nun gibt es aber außerdem Anwendungsgebiete, bei denen ein den atmosphärischen Druck noch übersteigender Gegendruck in Betracht kommt. Das tritt ein, wenn Abdampf von höherer als atmosphärischer Spannung für Nebenzwecke der betreffenden Industrie benutzt werden soll. Steigt der Gegendruck aber über die atmosphärische Spannung, so ergeben sich schädliche Räume von solcher Größe, daß die Ausführbarkeit bzw. die Wirtschaftlichkeit der Gieichstrommaschinenanlage dadurch unmittelbar in Frage gestellt wird.

Mit der Vergrößerung des schädlichen Raumes sinkt der mittlere Dampfdruck des Arbeitsdiagrammes. Beispielsweise ist das Verhältnis des mittleren Druckes bei einer Maschine mit hohem Vakuum zu einer Maschine mit Auspuff betrieb annähernd gleich 2:1. Das Verhältnis wird wesentlich ungünstiger bei Maschinen mit noch höherem Gegendruck. In letzterem Falle werden demnach die Maschinen für die bezügliche Leistung zu groß. Es kommen Dampfmengen in Frage, die der Maschinenleistung nicht entsprechen, es verläuft die Expansionslinie des Diagrammes zu flach.

Die vorliegende Erfindung soll die Gleich-Stromdampfmaschine unter strenger Wahrung

des Gleichstromprinzips von der Höhe des Gegendruckes unabhängig machen. Das geschieht erfindungsgemäß, indem die Auslaßschlitze länger, als sie durch die steuernde Kante des Arbeitskolbens offen bleiben, mit der Kompressionsseite des Zylinders in Verbindung gehalten werden. Hierzu werden erfindungsgemäß gesteuerte Organe, wie Schieber oder Ventile, im Kolben angeordnet, welche

ίο durch die Steuerung der Maschine bewegt werden, und welche für eine gewünschte Zeit während des Kompressionshubes des Kolbens die bezügliche Zylinderseite mit den Auslaßschlitzen in Verbindung bringen.

Dadurch wird der Dampfauslaß in an sich bekannter Weise in zwei Teile zerlegt, indem zuerst ein Hauptauslaß von verhältnismäßig sehr großer Austrittsfläche durch den Arbeitskolben selbst an den Auslaßschlitzen freigelegt wird, so daß der Austritt der Hauptdampfmenge plötzlich erfolgen kann, und daß am Schluß der Auslaßschlitze durch den Arbeitskolben diese mit dem Zylinder noch durch die gesteuerten Organe durch den Arbeitskolben hindurch in Verbindung bleiben. Wird dabei die Steuerung dieser Organe so eingerichtet, daß sie zugleich mit dem Abschluß der Schlitze durch die Steuerkante des Kolbens oder noch besser etwas früher öffnen, so bleibt der im Ausströmen begriffene Zylinderinhalt in der Strömungsbewegung, und es erfolgt stoßlos und ohne Wirbelbewegungen der weitere Dampfaustritt, und zwar kommen diejenigen Dampfschichten zum Ausströmen, welche sich in der nächsten Nähe des Kolbens befinden und welche wasserhaltig sind, wenigstens soweit es sich um die Bewegung des Kolbens auf dem ersten Teil seines Hubes handelt. . Die in der Nähe des heißen Zylinderdeckeis befindlichen trockenen Dampfschichten werden also nicht in Mitleidenschaft gezogen. Auf den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der Einrichtung dargestellt.

Die in Fig. 1 im Längsschnitt gezeichnete Anordnung zeigt eine liegende Maschine, bei welcher sich in dem Zylinder α mit in der Mitte angeordneten Auslaßschlitzen b an den Kopfenden Einlaßventile bei c befinden, wobei der Admissionsdampf zunächst die hohlen Deckel durchströmt, ehe er von den Ventilen zum Zylinder weitergeleitet wird.

Der Arbeitskolben d ist im unteren Teil mit einer Längsbohrung e ausgestattet. In dieser ruhen zwei Kolbenschieber f, die auf einer gemeinsamen Steuerstange g sitzen, welche durch eine Stopfbuchse a' des Zylinders nach außen tritt und an einem Winkelhebel h' h² angelenkt ist, der bei h³ am Kreuzkopf i gelagert ist, und dessen kurzer Schenkel A² durch eine Verbindungsstange V mit der Schubstange *'* verbunden ist. Durch die Schwingungen der Schubstange wird der Winkelhebel h' h* in'Schwingungen versetzt, und dadurch erhält der Doppelkolbenschieber f eine Bewegung gegenüber dem Arbeitskolben bzw. im Arbeitskolben d.

Die sich ergebende Wirkung der auch bei anderen Dampfmaschinen für Heizdampfentnahme mit einer vom Arbeitskolben gesteuerten Auslaßschlitzsteuerung und einer zweiten Auslaßsteuerung bereits bekannter Art von Dampfverteilung ist in dem Diagramm Fig. 5 verdeutlicht. χ ist der Kurbelkreis, welcher gleichzeitig für die Steuerung der Auslaßschlitze durch den Arbeitskolben bestimmend ist.. Die Voreröffnung erfolgt bei x' etwa 10 Prozent vor der Totlage. Der Abschluß der Auslaßschlitze durch den Arbeitskolben erfolgt bei x², so daß sich eine Kompression von etwa 90 Prozent ergeben würde, wenn man nur den Arbeitskolben berücksichtigt. Am Punkt x^z öffnet nun aber bereits der Kolbenschieber f, und dieser schließt erst am Punkt x*, so daß der Dampf auslaß tatsächlich von x' bis xⁱ offen bleibt und bei dem Beispiel eine Kompression von annähernd 9 Prozent auftritt.

Soll der Kompressionsbeginn veränderlich gemacht werden, so ist in das den Kolbenschieber f bewegende Gestänge eine Stellvor- go richtung, ζ. B. eine Kulisse, einzuschalten; beispielsweise könnte der Angriffspunkt g² der Stange g g' an dem Winkelhebel h' A² verstellbar gemacht werden.

Fig. 2 zeigt eine Einrichtung, welche der Ausführung nach Fig. 1 entspricht. Die Bewegung des die Stange g g' antreibenden, bei h^s am Kreuzkopf i gelagerten Schwinghebels h' wird durch einen exzentrisch am Kurbelzapfen k sitzenden kleinen Zapfen k' abgeleitet ioo und durch eine Stange k², welche ungefähr in der Mitte des Schwinghebels h' bei k³ angreift, auf diesen übertragen.

Der kleine Zapfen k' bewegt sich hier auf einem anderen größeren Kreise als der Kurbelzapfen, und es kommt daher für die Bewegungsverhältnisse das Diagramm nach Fig. 6 in Betracht.

χ ist der Kurbelkreis mit einer Eröffnung bei x' und einem Abschluß der Auslaßschlitze durch den Arbeitskolben bei x². y ist der Bewegungskreis für den Kolbenschieber /",welcher so gesteuert wird, daß seine Eröffnung bei y³ geschieht, wobei die Verhältnisse so ge-' troffen sind, daß die Punkte x' und y³ senkj recht übereinander liegen. Der Kolbenschieber öffnet also gleichzeitig mit dem Arbeitskolben den Auslaß. Der Abschluß des Kolbenschie- ! bers erfolgt bei y^l auf der entgegengesetzten j Seite der Bewegungskreise χ und y.

Bei beiden erläuterten Ausführungsformen erfolgt also, sobald die Steuerkante des Arbeitskolbens die Auslaßschlitze öffnet, der Hauptauspuff. Wird dann durch den rückkehrenden Arbeitskolben der direkte Auslaß durch die Schlitze abgeschlossen, so erfolgt der weitere Auslaß durch die Bohrung e des Kolbenschiebers f an der Kante e', und der Dampf tritt aus dem Zylinder des weiteren

ίο in den Hohlraum des Kolbens und geht aus diesem in die Schlitze, zu welchem Zweck in der Kolbenwandung Längsschlitze e² vorgesehen sind.

In Fig. 3 ist eine Ausführung gezeichnet, bei welcher die Längsbohrung e des Kolbens in seine Mitte fällt. An den Stirnflächen des Kolbens sind Ring ventile m gelagert, welche die Kolbenstange ο bzw. einen Ansatz o' umgeben und durch Federn m' auf ihren Sitzen gehalten werden. Innerhalb der hohlen Kolbenstange ο liegt die Steuerstange p, welche einen Fänger p' trägt, der mit Stangen p² die Ventile m von ihren Sitzen abzuheben vermag. Die Kolbenstange ο greift hier an einen sogenannten Schiffskreuzkopf i an, dessen Schubstange q gegabelt ist. Innerhalb der Gabel ist auswechselbar ein Kurvenstück q' angeordnet, gegen welches eine Rolle q² am Ende der Steuerstange p gelagert anliegt. Die Rolle q² wird an der Kurve zur Anlage gehalten durch eine Feder p³, welche innerhalb des Kolbens d auf die Stange p drückt. Durch das Ausschwingen der Schubstange q bewegt das Kurvenstück q' die Stange p in dem Kolben d hin und her, so daß der Fänger p' p* die Ventile abwechselnd öffnet. Die Bewegungsverhältnisse sind gemäß den Angaben des Diagrammes Fig. 5 einzurichten.

Fig. 4 zeigt eine Abänderung der Ausführung nach Fig. 3 derart, daß die Ventile m an einem im unteren Teil des Arbeitskolbens d angeordneten Hohlraum e anliegen. Es sind Ventilsitze s gebildet, in welchen hohle, mit den Ventilen fest verbundene Stangen s' ruhen.

Die Schlußstellung der Ventile wird in der Ruhelage durch Federn s² gesichert. Wie bei Fig. 3 liegt auch hier innerhalb der Kolbenstange 0 eine in gleicher Weise anzutreibende Steuerstange p, die mit einem seitlichen Ansatz t zwischen die Stange s' hineinragt, und die damit die Ventile abwechselnd öffnet.

Kommen bei den Ausführungen nach Fig. 3 und 4 die Auslaßschlitze durch den Arbeitskolben d zum Abschluß, so läßt das bezüg- liehe, inzwischen geöffnete Ventil m den Dampf weiterhin in den Hohlraum e des Kolbens eintreten, von dem er durch Längsschlitze oder öffnungen e² zu den Auslaßschlitzen b gelangt.,

Die erläuterte Einrichtung läßt sich nun auch noch in der Weise ausführen, daß nicht der gesamte zum Austreten aus dem Zylinder bestimmte Dampf durch die Hauptauslaßschlitze b abgeleitet wird; es lassen sich in der Zylinderwand besondere Auslaßschlitze anordnen, die zu einer anderen Stelle als die Hauptauslaßschlitze führen. Diese besonderen Austrittsöffnungen können in der Mittelquerebene des Zylinders oder in einer oder mehreren von dieser entfernten Ebenen angebracht werden.

Fig. 10 zeigt in einem Querschnitt ein schematisches Beispiel für in der Mittelebene des Zylinders gelagerte Austrittsschlitze. Der Kolben d ist durch eine Querwand d' unterteilt. In dem unteren so gebildeten Hohlraum e bewegt sich ein Schieber f. Die Kolbenwand ist im unteren Teil weggeschnitten bis auf einen mittleren Steg d². . . :

Durch die Wand d' sind die Schlitze im Zylinder in zwei Gruppen geteilt. Die obere Gruppe V wird von dem Kolbenmantel in der gezeichneten Stellung geschlossen gehalten, während die untere Gruppe &² mit dem Kolbenraum e in Verbindung ist, so daß bei entsprechender Stellung des Schiebers f aus der bezüglichen Zylinderseite Dampf durch die Schlitzgruppe b² heraustreten kann. Die Schitzgruppen b' und b^z lassen sich in irgendeiner beliebigen Weise, z. B. durch eine einfache Unterteilung des Ringwulstes, so trennen, daß verschiedene Leitungen einerseits zum Kondensator oder Auspuff, andererseits zu einer Heizung o. dgl. führen.

Die Kolben wand kann dabei so geformt werden, daß sie zeitweilig den Hohlraum des Kolbens mit sämtlichen Schlitzen oder nur mit einem Teil der Austrittsschlitze bzw. öffnungen in Verbindung bringt. Richtet man die Steuerung der im Kolben angebrachten Schieber oder Ventile dann so ein, daß diese später als in den Diagrammen angegeben öffnen, so kann Dampf von gewisser Spannung zur Ableitung aus dem Zylinder kommen. Läßt man beispielsweise durch die steuernde Kante des Arbeitskolbens sämtliche Austrittsöffnungen des Zylinders zunächst abschließen, so daß eine Kompression bis zu 40, 50 oder 60 Prozent des Kolbenweges sich einstellt, und j sorgt man im übrigen dafür, daß der Kolben dann die Hauptaustrittsschlitze verschlossen hält, dagegen eine Verbindung der Nebenaustrittsöffnungen mit dem Kolbenhohlraum e herstellt, so kann man in die letzteren Austrittsöffnungen Dampf von entsprechender j Spannung leiten, indem man an dem zutreffenden Punkt der Kompression die Schieber f oder Ventile m öffnet.

In dieser Weise läßt sich die bei manchen Industriezweigen auftretende Bedingung, daß

die Maschine mit Rücksicht auf die Verwendung von Abdampf höherer Spannung von vornherein gegen einen solchen Gegendruck arbeiten muß, umgehen, indem man eine Maschine mit niedrigem Gegendruck, beispielsweise Atmosphären- oder auch Kondensatordruck, benutzt und den nach dem Auspuff verbleibenden Zylinderinhalt bis zu dem erforderlichen Grade verdichten läßt, worauf

ίο man den so verdichteten Dampf zu den Nebenapparaten des betreffenden Betriebes überleitet. Durch diese Ableitung des auf eine gewisse Stufe verdichteten Zylinderinhaltes entfällt ebenfalls die Notwendigkeit der Benutzung größerer schädlicher Räume.

Diese Arbeitsweise wird verdeutlicht durch das Diagramm der Fig. 7, in welchem bei z' die Ausströmung und bei z^z die Kompression beginnt. Die Kompression wird bei z³ durch Öffnung der Schieber oder Ventile im Arbeitskolben unterbrochen, und es erfolgt bis zum Punkt zⁱ die Wiederausströmung, von Punkt #⁴ ab erfolgt dann die endgültige Kompression. Die untere Diagrammlinie z²-z* (Fig. 7) kann natürlich auch anders als dargestellt verlaufen. Es ist z. B. nicht notwendig, daß bei der Öffnung der Auslaßorgane im Kolben, also wenn der Zylinder mit dem Kolbeninnern in Verbindung gesetzt wird, der Hohlraum im Kolben auch zu gleicher Zeit mit den bezug' liehen Auslaßöffnungen der Zylinderwand in Verbindung kommt; da es sich bei Gleichstrommaschinen um ziemlich große Kolben handelt, so kann innerhalb des Kolbenkörpers ein verschieden großer Hohlraum geschaffen werden, der als entsprechend großer Aufnehmer zu benutzen ist. Man kann gleich nach dem Abschluß der Hauptauslaßschlitze durch die Steuerkante des Arbeitskolbens den im Kolben befindlichen Aufnehmerraum mit dem Zylinder in Verbindung setzen, so daß ein sanftes Ansteigen der Kompressionslinie im Diagramm die Folge ist, und man kann dann nach Erreichung eines bestimmten Druckes die besonderen Auslässe durch hierfür vorgesehene Öffnungen in der Kolbenwand freilegen. Eine Veränderung der durch das Diagramm nach Fig. 7 verdeutlichten Verhältnisse läßt sich in der Weise erzielen, daß man den Hauptauslaß drosselt und dadurch die Kompressionslinie z²-z³ nach Fig. 7 hebt. Je nach der Größe der Drosselung lassen sich dann verschiedene Kompressionslinien und verschieden abzuführende Dampfquantitäten erhalten. Die sich hieraus ergebenden Abänderungen des Diagrammes sind in Fig. 8 gezeigt, wo an die Stelle der Linie, Z₂-Z₃ die Kompressionslinien Z₂'-Z₃', z₂"-z₃", ^'"-Z₃" treten.

In konstruktiver Beziehung ist noch zu bemerken, daß die Entfernung des durch die Linie z^z-zⁱ verdeutlichten Dampf quantums nicht notwendigerweise durch in der Zylinderwand angebrachte Auslaßschlitze, sondern z. B. auch durch eine vom Kolben nach Art einer hohlen Kolbenstange auf der dem Kurbeltrieb abgewandten Seite aus dem Zylinder herausgeführt werden kann.

Zur besseren Verdeutlichung der unterschiedlichen Verhältnisse der entstehenden mittleren Dampfdrücke sind in Fig. 9 noch zwei Vergleichsdiagramme ineinandergezeichnet, und zwar für schädliche Räume von 2 bzw. 16 Prozent. Das erstere Diagramm A -B-C-D-E-A ist das Diagramm der Maschine mit gesteuertem Kolbenauslaßorgan, der mittlere Druck p_{ ergibt sich zu 5,05 Atm. B-C-D-B ist das Diagramm der Maschine mit Schlitzauspuff, und es ergibt sich ein mittlerer Druck pi = 2,58 Atm. Beide Diagramme sind auf atmosphärischen Gegendruck bezogen, und es zeigt sich, daß bei dem ersteren Diagramm p_t annähernd doppelt so groß wie im zweiten Diagramm wird, d. h. die Maschinengröße wird im ersteren Falle ungefähr halb so groß als wie im zweiten Falle.

Die zeichnerischen Darstellungen der verschiedenen Anordnungen zur Bewegung der in dem Kolben angebrachten Schieber und Ventile erschöpfen die Ausführungsmöglichkeiten naturgemäß nicht, insbesondere sind auch noch Abänderungen hinsichtlich der Veränderlichkeit der Relativbewegung der Kolbenschieber denkbar. So können die Kolbenschieber beispielsweise nach Art einer Meier-Steuerung eine Spindel mit Rechts- und Linksgewinde erhalten, so daß durch außerhalb des Zylinders erfolgende Drehung dieser Spindel die Schieber verstellt werden.

Das in Fig. 1 gezeichnete Antriebsgestänge für die im Kolben gelagerten Schieber ist in dieser Anordnung gewählt, da die Schieber mit den Außenkanten steuern. Es ist infolgedessen eine zur Bewegungsvorrichtung des Arbeitskolbens entgegengesetzte Relativbewegung der Kolbenschieber zu bewirken. Sollen die Kolbenschieber mit der Innenkante steuern, was natürlich ebenfalls möglich ist, so vereinfacht sich ihr Antrieb erheblich, indem die Steuerstange g an einen einfachen Querarm anzuhängen ist, der an geeigneter Stelle der Schubstange, z. B. an der Stelle des Kreuzkopfzapfens, anzuordnen und so lang auszubilden ist, daß die erforderlichen Bewegungen der Schieber gegenüber dem Arbeitskolben eintreten.

Soll die Anordnung der Fig. 2 bei einer Maschine mit gekröpfter Welle Anwendung finden, so ist an Stelle des einfachen kleinen Zapfens k' ein entsprechendes Exzenter an der Kröpfung anzubringen.

Bei Ausführungen, bei denen lediglich zur Vermeidung zu hoher Kompression bzw. zu großer schädlicher. Räume die besonderen Abschlußorgane im Kolben nur mit den nach dem Kondensator bzw. der Atmosphäre leitenden Auslaßschlitzen in Verbindung kommen, kann man, um einer Zylinderauskühlung vorzubeugen, den im Kolben befindlichen Hohlraum durch besondere Wände, wie bei w v>'

to (Fig. 3) angedeutet, schützen.

Claims (3)

1. Patent-An sprüche:

   i. Gleichstromdampfmaschine mit durch

   den Arbeitskolben gesteuerten Auslaßschlitzen, dadurch gekennzeichnet, daß im Arbeitskolben (d) gesteuerte Abschlußorgane

   (f,m) untergebracht sind, welche die jeweilige Kompressionsseite des Zylinders mit dem Auslaß (b) noch nach dessen Abschluß durch den Arbeitskolben in Verbindung setzen, um unter Einhaltung des Gleichstromprinzips die Kompression durch die Steuerung zu beherrschen. -
2. 2. Gleichstromdampfmaschine nach Anspruch τ, dadurch gekennzeichnet, daß die im ■ Arbeitskolben (d) angeordneten gesteuerten Auslaßorgane (f, m) das Zylinderinnere mit einer von zwei Gruppen von Auslaßschlitzen (b' b*) zwecks getrennter Abführung von Dampf in Verbindung setzen.
3. 3. Gleichstromdampfmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Arbeitskolben (d) ein als Aufnehmer dienender Hohlraum (e) angeordnet ist.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.