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Mit Druckflüssigkeit betriebene Ventilsteuerung für Kolbenmaschinen
Die Erfindung betrifft eine mit Druckflüssigkeit betriebene Ventilsteuerung für
Kolbenmaschinen, insbesondere Dampfmaschinen, bei der die Druckflüssigkeit von einer
Pumpe durch einen von der Maschine selbst angetriebenen Verteiler periodisch nach
dem Hubkolben des Ventils gedrückt wird und darauf wieder zur Saugseite der Pumpe
zurückfließt. Bei Ventilsteuerungen, die mit Druckflüssigkeit betrieben werden,
ist es bekannt, die Arbeitsräume der Ventilantriebskolben mit je einem in einen
druck- und widerstandslosen Raum mündenden Auslaß zu versehen, der durch ein von
der Flüssigkeit selbst gesteuertes, federbelastetes Organ bei Eröffnung des Auslasses
der Vorsteuerung geöffnet wird. Die bekannte Ventilsteuerung hat den Mangel, daß
die in die Ventileinstelleinrichtung eingeführte Arbeitsflüssigkeit nach der Bewegung
des Ventils teilweise in die Druckleitung zurückgedrängt wird. Die Flüssigkeitssäule
muß daher in der langen Druckleitung beschleunigt werden, wodurch der Ventilschluß
verzögert wird. Außerdem ist die Ventilhubhöhe bei der bekannten Einrichtung von
der Viskosität, d. h. von der immer wechselnden Temperatur des als Druckflüssigkeit
benutzten Öles o. dgl., abhängig.
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Von der bekannten Ventilsteuerung unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand
dadurch, daß die Flüssigkeit, nachdem sie den Hubkolben bewegt hat. während der
Schließbewegung des Ventiles durch einen Entlastungskanal im Hubkolben selbst oder
durch einen mit einem Entlastungskanal versehenen, durch die Flüssigkeit in der
Druckleitung verstellbaren Schieber o. dgl. restlos außerhalb des Verteilers in
eine besondere Rückführungsleitung abfließt.
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Dadurch, daß beim Erfindungsgegenstand die Druckflüssigkeit nach der
Bewegung des Ventiles nicht, auch nicht zum kleineren Teile, wie bei der bekannten
Anordnung, in die Druckleitung zurückgedrängt wird und die in dieser Leitung vorhandene
lange Flüssigkeitssäule daher nicht beschleunigt zu werden braucht, kann der Ventilschluß
äußerst schnell erfolgen. Ebensowenig ist beim Erfindungsgegenstand die Ventilhubhöhe
von der wachsenden Viskosität des als Druckflüssigkeit dienenden Öles o. dgl. abhängig.
Da ferner beim Erfindungsgegenstand der Verteiler ausschließlich die Zufuhr der
Druckflüssigkeit und nicht, wie bei der bekannten Steuerung, außerdem noch die Abführung
der kleinen, abfließenden Flüssigkeitsmenge zu besorgen hat, werden Schwierigkeiten
bei der Regelung und eine ungünstige Beeinflussung des Diagramms der Maschine vermieden.
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Die schematische Zeichnung veranschaulicht in den Abb. r, 4. und 6
drei verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Abb.2 ist der in größerem Maßstab
gezeichnete Axialschnitt eines Teiles des Gehäuses des
Verteilers,
welcher Teil bei sämtlichen Ausführungsbeispielen derselbe ist. Abb. 3 zeigt die
Abwicklung der in Abb. 2 in Ansicht dargestellten Aussparungen in der Gehäusewand,
während Abb. 5 .gleichfalls in größerem Maßstabe den Schieber des Servomotors der
Einrichtungen nach Abb. d. und 6 darstellt. Die strichpunktierten Linien in Abb.
2 und 3 zeigen die Öffnungen in der axial im Gehäuse bewegbaren Schieberbüchse für
den Fall, daß letztere in bezug auf die Aussparungen des Gehäuses die Mittellage
einnimmt.
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Die Einrichtung nach Abb. i besteht im wesentlichen aus den nachfolgenden
Teilen, welche in der Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit hintereinandergeschaltet
sind: Flüssigkeitsbehälter i, Saugleitung 2, Flüssigkeitspumpe 3; Druckleitung 4.,
Verteiler Druckleitung 6, Servomotor 7 für die Bewegung des Ventils 15, einem schwach
belasteten Reduzierventil 8 und Rücklauf leitung g. Von der Druckleitung q. ist
noch eine Umlaufleitung io abgezweigt, welche kurz vor dem Reduzierventil 8 in die
Rücklaufleitung 9 mündet. In der Leitung io befindet sich ein stark belastetes Reduzierventil
i i, welches den Druck in der Druckleitung bedingt.
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Der Servomotor 7 besteht aus einem Zylinder 12 mit Kolben 13, an welchem
die Stange 1.4 des Ventils 15 befestigt ist. Auf den mit einer Lecköffnung oder
einem Entlastungskanal 17 versehenen Kolben 13 lastet eine Feder 16.
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Der Verteiler 5 ist mit einem zylindrischen Gehäuse 18 versehen, dessen
Einlaßöffnung i g mit einer Ringnut 20 in der Innenwand des Gehäuses in Verbindung
steht. Weiter hat das Gehäuse noch zwei Oftnungen 21 mit entsprechenden Aussparungen
22 (siehe auch Abb. 2 und 3) in der Innenwand des Gehäuses. An jede Öffnung 21 ist
eine Druckleitung angeschlossen, welche nach einem Servomotor führt. Beide Servomotoren
mit Zu- und Abfuhrleitungen und Ventilen weisen genau dieselbe Bauart auf, werden
aber nicht gleichzeitig betätigt. Deutlichkeitshalber ist auf der Zeichnung nur
ein Ventil 15 mit Servomotor dargestellt. Aus Abb.3 geht hervor, daß die Aussparungen
22 in der Abwicklung etwa die Form eines Parallelogrammes aufweisen. Diese oder
eine ähnliche Form, wobei sich zwischen beiden Aussparungen durch die Innenwand
des Gehäuses gebildete Stege befinden, ist erforderlich, da die den Öffnungen 21
entsprechenden Aussparungen unter sich nicht in Verbindung treten dürfen, weil sonst
die Flüssigkeit gleichzeitig nach beiden Servomotoren strömen und die Ventile daher
auch gleichzeitig gehoben werden könnten.
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Im Gehäuse 18 befindet sich eine verschiebbare Büchse 23, welche im
nachstehenden Regelschieber genannt werden soll. Dieser Regelschieber kann in axialer
Richtung mittels einer mit Handrad 25 versebenen Stange 24 hin und her bewegt werden,
welche über einen Teil ihrer Länge Schraubengewinde 20 für eine Mutter 27 hat. Letztere
ist durch ein Gestänge mit der Hülse eines Fliehkraftregiers 28 verbunden, so daß
der Regelschieber sowohl von Hand als auch durch den Regler 28 verstellt werden
kann. In der Wand des Regelschiebers befinden sich vier Ufinungen 29 (siehe auch
Abb.2 und 3), welche in der Abwicklung die Form eines Dreieckes haben und je nach
Lage und Größe einem Teile der Aussparungen 22 entsprechen, derart, daß die beiden
zur rechten Seite liegenden üffnungen 29 (Abb. 3) gegenÜberden oberen Hälften
der Aussparung 22, die beiden zur linken Seite liegenden (Öffnungen 29 gegenüber
den unteren Hälften der Aussparung liegen können. Die strichpunktierten Linien in
Abb. 2 und 3 geben, wie bereits bemerkt, die Lage der Öffnungen 29 für den Fall
an, daß der Regelschieber die Mittellage einnimmt.
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Weiter besteht der Verteiler noch aus einem Hohlzylinder 30, dessen
rechter Teil sich an einen vorstehenden Teil der Innenwand des Gehäuses 18 und dessen
linker Teil sich an der Innenwand des Regelschiebers 23 führt. Der in axiales= Richtung
nicht bewegbare Zylinder 30 wird von der Maschine selbst in Umdrehung versetzt,
und zwar mit der gleichen Umdrehungsgeschwindigkeit wie die Kurbelwelle. Im rechten
Teil des Hohlzylinders befinden sich, in derselben Ebene wie die Öffnung ig und
die Ringnut 2o des Gehäuses 18, einige Öffnungen 31, während der linke Teil eine
Öffnung 32 in der Ebene der (Öffnungen 21 und der Aussparungen 22 aufweist. Die
durch die Druckleitung 4 zugeführte Flüssigkeit kann daher durch die Öffnung ig,
die Ringnut 2o und die Öffnungen 31 den Hohlraum des Zylinders 30 erreichen. Die
Menge der Flüssigkeit, «-elche bei sich drehendem Zylinder 3o durch die öffnung
32 in die Druckleitung 6 fließt, wird durch die Lage des Regelschiebers 23 bedingt,
d. h. durch die Größe desjenigen Teiles der Öffnung 29, welcher sich gegenüber der
Aussparung 22 im Gehäuse 18 befindet. Diese nach der Druckleitung 6 strömende Flüssigkeitsmenge
bedingt wiederum die Dauer des Ventilhubes und dadurch den Füllungsgrad. Eine Verstellung
des Regelschiebers verursacht daher eine Hinderung des Füllungsgrades. Ist die Maschine
im Betrieb, so kann diese Verstellung bei Belastungsänderungen durch den Regler
28 erfolgen. Verstellt man aber den Regelschieber
mittels des Handrades
25, so ändert sich dadurch die normale Umdrehungszahl der tTasch,ine. Verschiebt
man den Regelschieber mittels des Handrades 25 so weit, dar anstatt der linken Öffnungen
29 die rechten Öffnungen 29 gegenüber den Aussparungen 22 des Gehäuses r8 liegen
oder umgekehrt, so ändert sich die Drehrichtung der Maschine.
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Es sei angenommen, daß die normal belastete Maschine mit der normalen
Umdrehungszahl vorwärts läuft und hierbei die linken Öffnungen 29 in Wirkungen sind.
Der Regelschieber nimmt dann eine derartige Lage ein, daß diese Öffnungen teil@:eise
gegenüber den Aussparungen 22 stehen. Die entsprechende Drehrichtung des Zylinders
30 ist in Abb. r durch einen Pfeil bezeichnet. Sämtliche Leitungen sind ganz mit
Flüssigkeit gefüllt zu denken.
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Die beschriebene Einrichtung wirkt wie folgt: Im sich drehenden Hohlzylinder
3o befindet sich Flüssigkeit unter unveränderlichem Druck. welche durch die ununterbrochen
wirkende Pumpe 3 zugeführt wird. Sobald nun bei der Drehung des Zylinders 3o die
darin befindliche Öffnung 32 zu der Öffnung 29 kommt, wird aus dem Zylinder Fliissigkeit
durch die (Öffnungen 32 und 29 in die Leitung 6 und folglich unter den Kolben 13
gedrückt. Die zugeführte Flüssigkeitsmenge ist größer als diejenige, welche während
der Zufuhr durch die Öffnung oder den Entlastungskanal 17 entweichen kann, so daß
der Kolben in die Höhe gedrückt und das Ventil 15 geöffnet wird. Die über dem Kolben
13 befindliche Flüssigkeit kann durch das Reduzierventil 8 und die Leitung 9 in
den Behälter i zurückkehren. Bei der weiteren Drehung des Zylinders 30 nimmt
infolge der dreieckigen Form der Öffnungen 29 die Durchtrittsöffnung für die Flüssigkeit
allmählich ab, um nach einiger Zeit, entsprechend der Lage des Regelschiebers. auf
Null zu sinken. Die Feder 16 drückt dann den Kolben 13 herunter, wodurch sich das
Ventil 15 schließt. Die Flüssigkeit, welche bei der Abwärtsbewegung des Kolbens
verdrängt werden soll. kann durch die Cffnung 17 den über dem Kolben befindlichen
Raum erreichen. Während der Zeit, die bis zum nächsten Ventilhübe verstreicht, ist
die Verbindung zwischen dem Verteiler 5 und der l.citung 6 unterbrochen, und die
da:-,n durch die Pumpe 3 zugeführte Flüssigkeit strömt durch das Reduzierventil
i i, die Umlaufleitung 1o, (las Reduzierventil 8 und die Leitung 9 in den Behälter
i zurück.
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\;immt nun z. B. die Belastung zu und folglich die Umdrehungszahl
ab, so sinkt die Hülse des Reglers 28. Infolgedessen wird --ler Regelschieber 23
nach rechts bewegt. Dadurch gelangt ein größerer Teil der Öffnung 29 gegenüber die
Aussparung 22, so daß bei der Vorbeibewegung der (Öffnung 32 während längerer Zeit
Flüssigkeit in die Leitung 6 gedrückt wird, das Ventil daher länger angehoben bleibt
und die Füllung v ergrößert wird. Bei abnehmender Belastung findet natürlich das
Umgekehrte statt. Soll die Maschine rückwärts laufen, so verschiebt man den Regelschieber
mittels des Handrades 25 nach links, bis die rechten (Öffnungen 29 gegenüber den
Aussparungen 22 liegen. Bei der Rückwärtsdrehung der Maschine muß die Regelung ausschließlich
mit der Hand erfolgen, da der Regler 28 in diesem Falle nicht wirken kann.
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Wie bereits früher bemerkt, ist das Reduzierventil i i auf den Druck
eingestellt, welchen man in der Druckleitung haben will. Das Reduzierventil 8 ist
auf nur einige Zehntel Atmosphären Überdruck eingestellt. Dieser geringe Überdruck
sorgt dafür, daß sämtliche die Flüssigkeit nach dem Reduzierventil führenden Leitungen
immer vollständig mit Flüssigkeit gefüllt bleiben. Außerdem hat der Einbau dieses
Reduzierventiles den großen Vorteil, daß bei stillstehender Maschine die an das
Ventil angeschlossenen Zufuhrleitungen sich nicht entleeren können, da hinter dem
Ventil dann ein Vakuum entstehen würde. Die Einrichtung kann daher unter allen Umständen
ganz luftfrei gehalten werden.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Möglichkeit gegeben,
mit dem Verteiler zwei Ventile zu betätigen und außerdem die Bewegungsrichtung der
Maschine umzukehren. Es ist aber einleuchtend, daß es diesbezüglich entsprechend
der Bauart und der Bestimmung der Maschine viele andere Möglichkeiten gibt, wobei
der Verteiler den Verhältnissen entsprechend abgeändert werden müßte. Braucht die
Maschine beispielsweise nur in einer Richtung laufen zu können, so kann der rechte
Satz Öffnungen 29 im Regelschieber entbehrt werden.
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Die Zeichnung veranschaulicht zwei Auslaßöffnungen 21, welche in derselben
Ebene rechtwinklig zur Achse des Verteilers liegen. Auch in dieser Beziehung kann
die Einrichtung natiirlich abgeändert werden. Unter L71nständen braucht nur eine
Öffnung 21 vorhanden zu sein, oder aber man kann zwei 'Mnungen 21 vorsehen, welche
nicht in derselben Ebene liegen. In beiden Fällen kann rlie der Öffnung 21 entsprechende
Aussparung e2 als Ringnut ausgeführt werden.
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Die Umdrehungszahl des Zylinders 3o entspricht bei der beschriebenen
Einrichtung fierjenigen der Kurbelwelle. Es können beide
Umdrehungsgeschwindigkeiten
aber auch in einem anderen Verhältnis zueinander stehen. Macht z. B. der Zylinder
30 in der Zeiteinheit die Hälfte der Anzahl Umdrehungen der Kurbelwelle,
so sollen im Zylinder 3o auch zwei diametral einander gegenüberliegende Öffnungen
32 angebracht werden.
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Die Ausführungsform nach Abb.4 entspricht im wesentlichen derjenigen
nach Abb. 1. Es finden Zu- und Abfuhr der Flüssigkeit nach und von dem Servomotor
7, aber in anderer Weise statt.
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Die Druckleitung 6 ist mit einem Kanal 34 verbunden, welcher neben
dem Zylinder 12 angeordnet ist und durch eine Öffnung 35 mit dem unter dem Kolben
13 befindlichen Raume in Verbindung steht. Oben im Kanal 34 befindet sich ein kleiner
Kolbenschieber 36, auf welchem eine Feder 37 lastet. Dieser Schieber (Abb. 5) besteht
aus einem vollen Unterteil 38 und einem hohlen Oberteil 4o, welcher an der Oberseite
offen ist und deren Wand unmittelbar über dem vollen Teile eine Reihe von Öffnungen
41 aufweist. Zwecks Abstützung der Feder 37 ist der Schieber 36 an der Oberseite
mit einem Ringe 42 versehen, welcher eine zentrale Bohrung 43 hat-.NN ach Abb. 4
und 5 befindet sich der Schieber 36 in seiner unteren Lage, wobei zwischen dem Kanal
34 und der Öffnung 35 keine Verbindung vorhanden ist. Der Raum unter dem Kolben
13 ist dann durch die öffnungen 35, 41 und den Hohlraum des Schiebers 36 mit dem
Raume 44 über dem Schieber in Verbindung. Bei der Aufwärtsbewegung des Schiebers
36 werden zunächst die Öffnungen 41 abgeschlossen, bevor der Kanal 34 mit der Öffnung
35 in Verbindung tritt.
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Solange keine Druckflüssigkeit in die Leitung 6 eingeführt wird, nimmt
der Schieber 36 seine untere Lage ein. Sobald aber die Offnung 32 Flüssigkeit in
die Leitung 6 zuläßt, wird der Schieber 36 durch den dadurch :erursachten Druck
nach oben bewegt, und die Flüssigkeit strömt längs des Schiebers 36 durch die Öffnung
35 in den Raum unter dem Kolben 13. Die hierbei durch die Oberseite des Kolbens
verdrängte Flüssigkeit fließt durch die Öffnung 45, den Raum 44, den Kanal 46 und
das Reduzierventil8 in die Rücklaufleitung 9. Wenn nach einiger Zeit durch die Weiterdrehung
der Öffnung 32 die Flüssigkeitszufuhr nach der Leitung 6 aufhört, wird der Schieber
36 durch die Feder 37 nach unten gedrückt. Gleichzeitig bewegt sich der Schieber
13 unter dem Einflusse der Feder 16 nach unten. Die dabei vom Kolben verdrängte
Flüssigkeit strömt teilweise durch den Entlastungskanal 17, teilweise durch die
Öffnung 35, den Hohlschieber 36, den Raum 44 und die Öffnung 45 in den über dem
Kolben befindlichen Raum. Auf diese Weise erreicht man, daß der Kolben 13 schnell
heruntergeht und daher auch das Ventil 15 schnell geschlossen wird. Damit die bei
der Abwärtsbewegung des Schiebers 36 verdrängte Flüssigkeit entweichen kann, ist
dieser Schieber mit einer Lecknut oder einem Entlastungskanal 39 versehen.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 4 wird die -Maschine mit Hilfe einer
Vorrichtung, deren Ausbildung für das Wesen der Erfindung nicht in Betracht kommt
und welche daher auch nicht näher beschrieben ist, durch Druckflüssigkeit geregelt.
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Die Ausführungsform nach Abb. 6 unterscheidet sich von derjenigen
nach Abb.4 durch eine kleine Abänderung des Servomotors. Die Steuerung der Flüssigkeitsw-und
-abfuhr nach und von dem Servomotor findet hier auf dieselbe Weise statt wie beim
Servomotor nach Abb. 4, nur sind in diesem Falle die Abmessungen des Schiebers 36
und der darin vorgesehenen Kanäle so groß, daß der Entlastungskanal 17 im Kolben
13 entfallen kann. Auch bei dieser Einrichtung erfolgt die Regelung der Maschine
mit Hilfe einer nicht näher beschriebenen Vorrichtung durch Druckflüssigkeit.