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Expansionsschiebersteuerung für schwungradlose Kolbenkraftmaschinen
Schwungradlose Kolbenkraftmaschinen, insbesondere Dampfpumpen, müssen, da der vom
Dampfkolben zu überwindende Widerstand während des ganzen Hubes nahezu konstant
ist, bei langsamem Gang mit voller Füllung arbeiten.
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Bei schnellem Gang ist aber bei Beginn des Hubes zur Beschleunigung
der Massen ein größerer, zu Ende des Hubes wegen der lebendigen Kraft der Massen
ein kleinerer Dampfdruck notwendig.
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Ein ruhiger Gang der Pumpe erfordert daher einen von Anfang bis zu
Ende des Hubes abnehmenden Dampfdruck, was durch Anwendung der Treibmitteldehnung
annähernd erreicht wird.
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Je größer die Massenkräfte, d. h. je größer die Geschwindigkeitsänderungen
und je größer die bewegten Massen sind, um so größer kann der Expansionsgrad des
Treibmittels sein.
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Die Treibmitteldehnung wird durch hierfür eingerichtete und bekannte
Steuerungen oder auch durch Anordnung mehrerer Arbeitszylinder, in welchen das Treibmittel
stufenweise expandiert, erzielt. In letzterem Falle ist durch die Vergrößerung der
hin und her gehenden Massen nicht nur ein größerer Expansionsgrad möglich, sondern
es kommen auch die Vorteile der stufenweisen Expansion hinsichtlich noch besserer
Wärmeausnutzung zur Auswirkung.
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Von den bekannten Einrichtungen der beiden erwähnten Arten zur Anwendung
der Treibmitteldehnung unterscheidet sich der Gegenstand der vorliegenden Erfindung
im wesentlichen dadurch, daß einem unbeabsichtigten Stehenbleiben der Pumpe, wie
es bei plötzlicher Verminderung der Hubzahl infolge zu starker Treibmitteldehnung
eintritt, durch selbsttätige Einwirkung der Steuerung unter allen Umständen vorgebeugt
wird.
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Während die bisherigen Expansionsschiebersteuerungen dieser Art bei
Veränderung der Leistung einen Eingriff in die Steuerungsteile von Hand erforderlich
machen, wird durch den Erfindungsgegenstand erreicht, daß der Pumpe selbsttätig
jeweilig diejenige Füllung gegeben werden kann, welche zur Erreichung des vollen
Kolbenhubes bei der jeweiligen Leistung erforderlich ist.
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Außer der hiermit verbundenen wesentlich besseren Treibmittelausnutzung
wird ein weiterer technischer Erfolg dadurch erzielt, daß man ohne Gefahr für die
Betriebssicherheit der Maschine auch entfernt aufgestellte und damit umständlich
von Hand zu regulierende Pumpen, die gleichzeitig dauernden Leistungsschwankungen
unterworfen sind, wie es z. B. bei den im Lokomotivbetriebe verwandten Pumpen der
Fall ist, mit einer den Gang und die Wirtschaftlichkeit der Pumpe günstig beeinflussenden
Treibmitteldehnung arbeiten lassen kann.
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Nach dem Erfindungsgedanken gestattet die Wirkungsweise der neuen
Steuerung gegebenenfalls bei einem Hube einen mehrmaligen Eintritt von frischem
Treibmittel in den Arbeitszylinder, so daß immer eine sichere Arbeitsweise der Pumpe
gewährleistet ist.
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Hierdurch wird es außerdem möglich, den der jeweiligen Massenkraft
entsprechenden höchsten
Expansionsgrad auszunutzen, da in keinem
Falle ein unerwünschtes Stehenbleiben der Pumpe eintreten kann.
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Die Ausnutzung hoher Expansionsgrade macht nun die Anwendung des Erfindungsgedankens
besonders für doppelt wirkende, schwungradlose Tandemverbundkolbenkraftmaschinen
wertvoll.
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Bei Zweifachexpansionsmaschinen dieser Bauweise arbeiten die beiden
Zylinder meistens mit voller Füllung, wobei dann der Expansionsgrad dem Inhaltsverhältnis
der beiden Zylinder entspricht.
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Die unmittelbare Zuführung des noch hochgespannten Auspuffdampfes
des Hochdruckzylinders in den Niederdruckzylinder bedingt jedoch beim Hubwechsel
beträchtlich hohe Triebkräfte, die dann große Beschleunigungen der Kolben und damit
das bekannte Schlagen der Pumpe infolge Abreißens der Wassersäule auf der Saugseite
zur Folge haben.
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Um diese unmittelbar nach dem Hubwechsel auftretenden hohen Triebkräfte
zu vermeiden, ist neuerdings die Anordnung eines Entspannungsgefäßes zwischen dem
Hoch- und dem Niederdruckzylinder vorgeschlagen. Selbst wenn durch diese Lösung
ein ruhiger Gang der Pumpe als gegeben erscheinen konnte, so wird durch das Entspannungsgefäß
von entsprechender Größe der Grad der Wärmeausnutzung jedoch beträchtlich herabgesetzt.
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Im Gegensatz zu diesem Vorschlage gestattet der Erfindungsgegenstand
die Ausnutzung eines hohen Expansionsgrades im Hochdruckzylinder, so daß dessen
Auspuffdampf mit durch vorherige Arbeitsleistung bedingter Druckabsenkung in dem
Niederdruckzylinder zur Wirkung gelangt.
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Zur weiterenErhöhung derWärmeausnutzung, insbesondere bei Hochdruckdampfpumpen,
ermöglicht der Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch eine Füllungseinstellung
im Niederdruckzylinder, welche mit der im Hochdruckzylinder gleichzeitig durchgeführt
werden kann.
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Zum Schluß sei noch erwähnt, daß nach der vorliegenden Erfindung zur
Erzielung eines sanften Hubwechsels das aus dem Hochdruckzylinder sowie aus dem
Niederdruckzylinder austretende Treibmittel derart gedrosselt oder verdichtet wird,
daß bei großen Füllungsgraden kleine Kompressionen auftreten, und umgekehrt.
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Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung in mehreren
Ausführungsformen.
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Abb. i zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit Füllungsregelung
und Steuerung für getrennten Dampfein- und -auslaßkanal bei einem Zylinder mit einfacher
Dehnung. Der Schieber befindet sich in der untersten Endstellung.
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Abb. 2 stellt die gleiche Ausführungsform in der Dampfabschlußstellung
des Schiebers dar. Abb. 3 gibt eine vergrößerte Darstellung des Füllungsregelungsventils
in der Füllungsstellung wieder.
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Abb. 4 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der
Erfindung für eine doppelt wirkende Tandemverbundkol@enkraftmaschine mit dem Verteilungsschieber
in der linken Endstellung, während Abb.5 die gleiche Ausführungsform in der Dampfabschlußstellung
des Schiebers zeigt. Abb.6 veranschaulicht eine schematische Darstellung der Erfindung
für eine doppelt wirkende Tandemverbundkolbenkraftmaschine, bei der die Expansionsregelung
durch den Schieber selbst vorgenommen wird und außerdem die Schieberbewegung durch
eine von dem Hochdruckkolben betätigte Vorsteuerung geregelt wird. Über dem Hochdruckkolben
findet die Dampfeinströmitng statt.
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Abb. 7 zeigt die gleiche Ausführungsform der Erfindung nach Abb. 6
in der Dampfabschlußstellung des Schiebers.
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Abb. 8 gibt eine den beiden letzten ähnliche Ausführungsform der Erfindung
wieder, bei der die Füllungsregelung wieder durch die Expansionsventile nach Abb.
3 vorgenommen wird. Letztere sind aber der Deutlichkeit der Zeichnung halber in
dieser wie in den folgenden nicht zeichnerisch dargestellt.
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Abb. 9 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der
Erfindung für eine doppelt wirkende Tandemverbundkolbenkraftmaschine mit zwei von
dem Arbeitskolben durch Anstoß und Dampf betätigten Hilfssteuerventilen. Der Kolben
befindet sich im unteren Totpunkt, und der Schieber ist gerade im Begriff, aus der
Dampfabschlußstellung in die untere Endstellung überzugehen, welche in Abb. io dargestellt
ist. Der Kolben geht in dieser Abbildung weiter nach oben.
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Abb. i1 zeigt den Schieber der gleichen Ausführungsform in der Dampfabschlußstellung,
bei welcher unter dem Hochdruckkolben die Expansion des Treibmittels begonnen hat.
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Abb. i2 gibt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der
Erfindung wieder, welche eine gleichzeitige Füllungsverstellung im Hochdruck- und
im Niederdruckzylinder gestattet. Der Schieber hat die Füllstellung eingenommen,
während in Abb. 13 der Schieber der gleichen Ausführungsform die während der Füllperiode
mit dem Frischdampf in Verbindung gestandenen Hauptkanäle des Hochdruck- und Niederdruckzylinders
abgeschlossen hat.
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Abb. 14 und 15 veranschaulichen eine Ausbildungsform des zur Regelung
der Füllung erforderlichen Pufferkolbens als Differentialkolben, wodurch die Vorsteuerung
vereinfacht wird. In Abb. 14 steht die innere Seite des Pufferkolbens unter dauerndem
Treibmitteldruck,
während in Abb. 15 in umgekehrter Treibmittelbeaufschlagung
der Flächen der gleiche Raum mit dem Auspuff verbunden ist.
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Abb. =6 zeigt die gleiche Ausführungsform der Steuerung, mit dem Unterschiede,
daß gegenüber allen dargestellten Schieberausführungen durch entsprechende Ausbildung
des Pufferkolbens dessen Umsteuerraum unmittelbar an den des Steuerkolbens e angeschlossen
ist.
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In Abb. r bewegt sich in dem Dampfzylinder a der Kolben
b, dem der Dampf über das Schiebergehäuse c durch die Anschlußleitungen a1
und a2 zugeführt wird. In dem Schiebergehäuse c befindet sich der Kolbenschieber,
der aus den beiden durch die Stange d verbundenen Teilen cd' und d2 besteht. Auf
der gleichen Schieberstange sind die Steuerkolben e, ei, e2 und e3 angebracht,
die in den Umsteuerräumen f, f 1, f 2 und f 3 arbeiten. Die Kolben
e und e3 haben gleiche Durchmesser, während die Steuerkolben ei und e2 als größere
Steuerkolben verschieden im Durchmesser ausgeführt sind. Durch diese hierdurch geschaffene
Differentialfläche, welche durch den Durchmesserunterschied der Kolben d' und e1
gebildet wird und auf welcher der Frischdampf wirkt, wird erreicht, daß der Verteilungsschieber
bei Anstellen des Treibmittels stets in eine Öffnungsstellung gelangt, so daß die
Pumpe unter allen Umständen immer anspringt, gleichviel welche Stellung der Arbeitskolben
b und der Verteilungsschieber haben.
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Der Dampf tritt zwischen den Schieberteilen d', rd2 und
ei, e2 und durch die entsprechenden Dampfeinlaßschlitze a3, a4 in den Zylinder
ein, während der Abdampf durch die in bestimmter Entfernung von den Einlaßkanälen
angeordneten Auslaßkanäle k1, lag nach dem Auspuff k entweichen kann.
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Die durch die Steuerkolben e, e3 bzw. e' und e2 gebildeten Umsteuerräume
f, f 3 bzw. f1, f2 stehen durch Leitungen ya, 7a' bzw. na, na' mit dem Zylinder
a in Verbindung, wie aus der Abbildung ersichtlich ist.
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Die Steuerleitungen in, nal münden in Höhe der kleinsten zulässigen
Füllung in den Arbeitszylinder a.
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In der Verlängerung der Schieberstange ist nach oben ein kleiner Anschlagkolben
e4 angeordnet, welcher sich in einem mit einem gewissen Spiel ausgeführten Pufferkolben
e5 bewegt. Dieser Pufferkolben arbeitet in dem Steuerraum f5, dessen Enden abwechselnd
durch die Steuerleitungen y1 und r2 mit dem Zylinder verbunden werden. Die Leitungen
y1, r2 sind derart an den Zylinder angeschlossen, daß sie in den Kolbentotpunktstellungen
des Arbeitskolbens b von diesem freigelegt werden.
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Die Umsteuerräume f l, f 2 werden durch die Leitungen o, o1
entlüftet, nachdem diese bei dem Steuerspiel durch die entsprechenden Steuerkolben
e1 und e2 geöffnet worden sind. Die die Umsteuerräume f l, f 2 mit dem Zylinder
verbindenden Leitungen in bzw. in' führen über die Regelventile p1 bzw. p2, welche
eine Füllungsbeeinflussung durch Rücksteuerung des Hauptschiebers zu bewirken haben.
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Diese Expansionsregelventile p1, p2 haben je zwei Kolben q1, s1 bzw.
q2, s2 von kleinem bzw. größerem Querschnitt. Durch diese Ventile führt eine Bohrung
u1 bzw. 1z2, welche den über den Kolben q1, q2 befindlichen Dampf in durch die Verstellschrauben
il, t2 regelbarer Weise unter die größeren Kolben s1, s2 gelangen läßt.
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Die Expansionsventile werden durch Federn ;,1, W,2 belastet, die durch
die Schrauben und Gegenmuttern y' und x1 bzw. y2,.12 gespannt und festgehalten werden.
Die Ventile verbinden in der der Federentspannung entsprechenden Endstellung die
nach den Umsteuerräumen f bzw. f 3 führenden Leitungen m', n.'
bzw. ml' und 0', wie es in Abb. 3 dargestellt ist.
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Die Wirkungsweise der Steuerung nach der soeben beschriebenen Ausführungsform
ist folgende Nach Anstellen des Frischdampfes, der zwischen die Kolben dl, d2 und
ei, e2 tritt, wird durch Wirkung des Dampfes auf die zwischen den Kolben
dl und ei gebildete Differentialfläche der Einlaßkanal a3 vom Schieber freigelegt
und dadurch ein sicheres Anspringen der Pumpe in jeder Kolbenstellung erreicht.
Der Dampf über dem Arbeitskolben b gelangt durch Leitung n über Kolben
e und hält den Schieber kraftschlüssig in dieser Stellung für die Zeit der
Füllung fest. In dieser Lage ist der Auslaßkanal lag voll geöffnet, so daß der Dampf
unter dem Arbeitskolben b nach dem Auspuff 1? strömen kann. Desgleichen gelangt
nach Freigabe der Steuerleitung y1 durch den Arbeitskolben b Arbeitsdampf in den
Umsteuerraum f 2 über den Pufferkolben e5, während der Raum unter dem Pufferkolben
e5 über die Leitung 72 mit dem Auspuffkanal lag in Verbindung steht.
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Bei weiterer Abwärtsbewegung des Kolbens b wird auch die Leitung in
mit Arbeitsdampf gefüllt, was jedoch keinen Einfluß auf das Steuerspiel des Schiebers
hat, da dessen Steuerkolben e den Kanal m' abdeckt, wie es Abb. x darstellt. Der
durch Leitung n und n' zwischen die Kolben s1 und q1 des Regelventils p1 gelangende
Dampf hält das Expansionsventil p1 in der gezeichneten Endstellung fest.
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Nach Freigabe der Leitung ml durch den Kolben b (Abb. z) tritt Dampf
über das Expansionsventil P 2 und Kanal ml' in den Umsteuerraum f2. Da die durch
die Schieberkolben e2 und e3 gebildete Ringfläche im Querschnitt ungefähr doppelt
so groß ist als die Fläche des Steuerkolbens e, erfolgt beim Eintritt des Treibmittels
in den Steuerraum f 2 eine Bewegung des Schiebers in die Mittelstellung. Nach Abschluß
des Einlaßkanals a3 durch den Schieberkolben
dl stößt der Anschlagkolben
e4 gegen den Pufferkolben e,5. Um einen metallischen Schlag zu vermeiden, ist der
Pufferkolben mit einer Bohrung v3 versehen, welche den Eintritt des Dampfes in den
Pufferkolben e5 gestattet. Dieser in diesem Raum befindliche Dampf wird zwischen
Anschlagkolben e4 und Pufferkolben e5 komprimiert, so daß ein sanftes Anlegen des
Anschlagkolbens e4 an den Pufferkolben erreicht ist. Von der anderen Seite aus kann
der Dampf um die Schieberstange herum (Abb. z) unter den Anschlagkolben gelangen,
so daß auch für das Steuerspiel in der anderen Richtung ein sanftes Arbeiten gewährleistet
ist. Bei dieser Ausbildung muß jedoch der Anschlagkolben mit Dichtungsringen versehen
werden, damit nicht der Steuerdampf von der einen Seite des Pufferkolbens auf die
andere überströmen und damit die Wirkungsweise dieses Kolbens beeinträchtigen kann.
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Die Summe der gleichzeitig mit Dampf von gleichem Druck belasteten
Fläche des Pufferkolbens e5 und des Steuerkolbens e ist größer bemessen als die
Ringfläche, welche durch die Kolben e2 und e3 gebildet wird, so daß der Schieber
durch die Dampfkräfte und den Anschlag in der in Abb. 2 dargestellten Abschlußstellung
verharren muß. In dieser Lage steht der Umsteuerraum f 2 durch Leitung in" sowie
ml dauernd mit dem Dampfzylinder a in Verbindung, während der Auslaßkanal da2 für
die Fortleitung des verbrauchten Arbeitsdampfes unter dem Kolben b vom Schieberkolben
d2 noch nicht ganz überdeckt ist.
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Der durch Leitung in' über dem Expansionsventil p 2 stehende Zylinderdampf
wird bei der Weiterbewegung des Kolbens b durch Bohrung u2 über die Drosselscheibe
t2, Bohrung v2 (Abb. 3) unter den großen Kolben s2 des Expansionsventils p 2 gelangen
und, sobald der Druck unter diesem Ventil genügend angestiegen ist, dieses infolge
Differentialwirkung nach oben drücken. Die Feder w2 unterstützt diese Bewegung,
bis das Ventil p2 die Leitung »z" überdeckt und schließlich diese mit der Leitung
szl` verbindet. Hierdurch entweicht der Steuerdampf aus dem Umsteuerraum f 2 über
Leitung zzl' nach dem Zylinder, wie es Abb. 3 veranschaulicht, und bewirkt ein Zurücksteuern
des Hauptschiebers und damit ein neues Öffnen des Einlaßkanals a3. Die Fortleitung
des Dampfes aus dem Umsteuerraum f 2 zum Zwecke der Rücksteuerung des Hauptschiebers
ist selbstverständlich auch direkt nach dem Auspuff möglich.
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Die Zeitdauer des Hochsteuerns des Ventils f l nach erfolgter Beaufschlagung
mit Zylinderdampf bedingt eine früher oder später eintretende Nachfüllung des Zylinders
mit neuem Treibmittel und läßt sich durch entsprechende Bemessung der Bohrung ist
und des Raumes unter dem Ventil P 2 sowie durch Regulierung der Drosselschraube
4,2 genau einstellen. Hat der Arbeitskolben b eine hohe Hubzahl, so werden die Massenkräfte
in dem durch die Lage der Leitung ml am Zylinder bestimmten Expansionsbeginn ausreichen,
den Arbeitskolben b in die Endstellung zu treiben, ehe das Expansionsventil durch
die eigene Bewegung die Rücksteuerung des Schiebers in vorher beschriebener Weise
einleitet. Sind jedoch bei langsamem Gang der Pumpe die Massenkräfte zu gering,
um in der Zeit des Beginns des Zurückpendelns des Hauptschiebers den Arbeitskolben
b bis in die Totpunktstellung zu drücken, dann wird durch Nachströmen von Frischdampf
in den Zylinder der Arbeitsdruck hinter dem Kolben b erhöht, wodurch eine neue Beschleunigung
desselben eintritt.
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Durch das Hochsteuern des Expansionsventils p2 ist aber auch das unter
ihm wirkende Treibmittel über die Leitung n1', Leitung n1 nach dem Zylinder entwichen,
so daß es zurücksteuert und neuen Dampf unter den Hauptschieber durch den Kanal
»z1' treten läßt. Hierdurch erfolgt ein sofortiger Abschluß des Kanals ca3 und damit
die Beendigung des Zutrittes von frischem Treibmittel in den Zylinder.
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Durch feine Abstimmung des Expansionsventils, die durch Einstellen
der Feder möglich ist, können sogar durch Verlegung der Leitungen m bzw. ml an den
Zylinder recht kleine Füllungen gewählt werden, weil bei langsamem Gang durch das
Zusammenarbeiten der Expansionsventile mit dem Hauptschieber die Expansionslinie
zwar einen treppenförmigen Verlauf annimmt, jedoch die Pumpe unter keinen Umständen
infolge der gesteuerten Frischdämpfzufuhr stehenbleiben kann.
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Ist der Kolben b im Totpunkt angelangt, dann gibt er die Leitung r2
frei, durch die das Treibmittel unter den Pufferkolben e5 strömt. Da hierdurch dessen
beide Seiten sich unter gleichem Dampfdruck befinden, wird der Schieber durch den
im Umsteuerraum f 2 wirkenden Druck weiter gesteuert. Hierbei erfolgt zunächsf der
Abschluß der Leitung mal' durch Kolben e3, wodurch der Dampf in diesem Umsteuerraum
zu expandieren beginnt. Nach Zurücklegung eines weiteren Weges öffnet der Schieber
dl den Auslaßkanal hl und gestattet den Austritt des Dampfes aus dem Zylinder über
dem Arbeitskolben nach dem Abdampfkanal k. Hierdurch findet eine sofortige Druckentlastung
auch im Umsteuerraum f statt, desgleichen im Umsteuerraum f 5 über und unter dem
Pufferkolben e5. Auf den Schieber wirkt jetzt nur noch der expandierende Dampf im
Umsteuerraum f2,
bis dieser Raum nach Freigabe der Entlüftungsleitung o1 durch
den Steuerkolben e2 entlüftet wird. Alsdann beginnt im Umsteuerraum f nach Überdecken
des Kanals n' eine Kompression
des zurückgebliebenen Restdampfes,
bis schließlich der untere Einlaßkanal a4 durch den Kolben d2 geöffnet wird und
Frischdampf unter den Arbeitskolben b gelangt. Dieser Dampf tritt gleichzeitig durch
die Leitung n' unter den Schieberkolben e3 und vollendet die Steuerbewegung des
Hauptschiebers. In der oberen Endstellung des Hauptschiebers, in welcher analog,
wie bereits beschrieben, der Auslaßkanal hl mit dem Auspuff in Verbindung steht,
findet wiederum eine Beaufschlagung des Kolbens e3 mit Frischdampf statt, so daß
dieser kraftschlüssig festgehalten wird.
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F_in sanfter Hubwechsel wird durch die Steuerung erzielt, dadurch,
daß in der Abschlußstellung des Schiebers der Auslaßkanal, im Falle Abb. 2 der Kanal
lag durch den Schieber d2 fast überdeckt wird. Hierdurch erfolgt eine Drosselung
des austretenden Dampfes, welche um so stärker ist, je früher diese einsetzt.
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Da mit dem Füllungsschluß auch die Verengung des Austrittskanals zusammenhängt,
finden entsprechend bei kleinen Füllungen stärkere Drosselungen statt, während bei
großen Füllungen analog dem langsamen Gang der Pumpe geringere Dampfungen durch
diese Maßnahme erzielt werden.
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Andererseits ist es in der Grenze kleinerer Expansionsgrade möglich,
den Auslaßkanal in der Dampfabschlußstellung ganz abzuschließen, wodurch eine richtige
Kompression hervorgerufen wird.
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Die Anordnung eines besonderen Auslaßkanals, wie es die Ausführungsformen
nachAbb.= und 2 zeigen, ist nicht durchaus notwendig, da die Kanäle a3, a4 gleichfalls
die Abführung des verbrauchten Dampfes in bekannter Weise übernehmen können. Der
Verteilungsschieberd,dl,d2 würde bei dieser Bauart entsprechend kürzer und daher
leichter im Gewicht ausfallen.
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Das Steuerspiel während der Aufwärtsbewegung des Kolbens vollzieht
sich in gleicher Weise, wie es oben beschrieben worden ist.
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In Abb. 4. ist eine ähnliche Wirkungsweise des Schiebers an einer
doppelt wirkenden Tandemverbundkolbenkraftmaschine dargestellt. Die Bezeichnungen
des Schiebers, der sich wie der bereits beschriebene aus den Verteilungskolben dl,
d2 sowie den Steuerkolben e, el, e2, e3 zusammensetzt, sind die gleichen, so daß
sich eine nochmalige Aufzählung der Bezugszeichen erübrigt.
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Der Kolbenschieber ist in waagerechter Lage dargestellt, und es ist
aus der Abbildung zu ersehen, daß der Hochdruckkolben bH in dem Hochdruckzylinder
caH arbeitet, und daß der Niederdruckzylinder unter dem Hochdruckzylinder direkt
angeordnet ist. Nach dem Hochdruckzylinder führen die Zuführungsleitungen cc3 und
a4, welche abwechselnd durch den Kolbenschieber mit den Zuführungsleitungen a5 und
as des Niederdruckzylinders verbunden werden. Zu diesem Zweck ist zwischen den bisherigen
Verteilungskolben dl und d2 ein neuer Verteilungsschieber d3 angeordnet, der abwechselnd
den Übertritt des Hochdruckdampfes nach dem Niederdruckzylinder, desgleichen den
Austritt aus dem Niederdruckzylinder nach dem Auspuffstutzen k regelt.
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Im Gegensatz zu der Ausführungsform des Schiebers nach den Abb. z
und 2 sind bei der Ausführungsform nach Abb. q. und 5 die kleinen Umsteuerräume
f bzw. f 3 durch Hilfsleitungen r4 und y3 mit den Zuführungsleitungen
nach dem Pufferraum f 5 verbunden, und zwar führt die Leitung y4 von der Leitung
yl nach dem Umsteuerraum f und die Leitung y3 von der Leitung y2 nach dem Umsteuerraum
f 3. Diese Leitungen sind außerdem mit kleinen Rücl,-schlagventilen p4 und p3 ausgerüstet,
welche nur den Eintritt von Dampf in die Umsteuerräume gestatten, während durch
ihre Rückwirkung ein Austritt des Dampfes aus den Umsteuerräumen f bzw.
f 3 nach den Leitungen y' bzw. y2 nicht erfolgen kann.
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Die mit den Zuführungsleitungen a3, a4 des Hochdruckzylinders in Verbindung
stehenden Leitungen n bzw. n' münden, wie es die Abbildungen zeigen, derart in die
Umsteuerräume, daß diese in der Dampfabschlußstellung von den betreffenden Kolben
e bzw. e3 überdeckt sind. Die Lage dieser Leitungen veranschaulicht deutlich die
Abb. 5.
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Die Expansionsventile Pl, p2 zur Füllungsregelung sind analog der
ersten Ausführungsform in die betreffenden Leitungen eingeschaltet, was schematisch
in den Abbildungen dargestellt ist. Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform ist
die folgende: In Abb. 4. tritt durch die Zuführungsleitung cal der Dampf zwischen
die Kolben dl und el, desgleichen zwischen die Kolben d2 und e2. Durch die vorerwähnte
Differentialwirkung der Kolben d2 und e2 wird der Schieber in eine Öffnungsstellung
auch bei jeder beliebigen Stellung der Arbeitskolben geworfen werden. In Abb. q.
gelangt nun der Frischdampf durch Kanal a3 über den Kolben bH, während der Dampf
unter dem Hochdruckkolben durch den Kanal a4 über den zwischen den Kolben d2 und
d3 gebildeten Raum nach dem Einlaßkanal a5 des Niederdruckkolbens bx gelangt. Der
Austritt des verbrauchten Niederdruckdampfes erfolgt über den Kanal n6 und den Schieber
nach dem Auspuff k. Im Umsteuerraum f und im Umsteuerraum f 5 wirkt
Frischdampf, der durch die Leitungen 4a bzw. yl in aus der Zeichnung ersichtlicher
Weise mit dem Zylinder in Verbindung steht. In den Umsteuerräumen f l und f 2 herrscht
infolge der Verbindung dieser Räume mit der Zylinderseite, auf welcher der verbrauchte
Hochdruckdampf sich befindet,
Aufnehmerdruck. Gelangt in Abb. 5
der Kolben bis zu dem Kanal ml, dann erfolgt die Beaufschlagung des Umsteuerraumes
f 2 mit dem Zylinderdampf. Hierdurch bewegt sich der Schieber so weit nach rechts,
bis der Einlaßkanal a3 vom Kolben dl abgeschlossen ist und der Anschlagkolben e4
gegen den Pufferkolben e5 anstößt. Es beginnt in dieser Stellung die Expansion über
dem Hochdruckkolben, während der Dampf unter diesem weiter noch nach dem Niederdruckzylinder
strömen kann. Erreicht der Hochdruckkolben seine untere Totpunktstellung, dann gibt
er den Kanal y2 frei. Durch diesen strömt Zylinderdampf in bekannter Weise hinter
den Pufferkolben e5, wodurch dieser von der Weiterbewegung des Hauptschiebers infolge
des Druckes im Umsteuerraum f 2 mitgenommen wird. Gleichzeitig tritt durch die Leitung
73 über das selbsttätige Ventil P3 Zylinderdampf hinter den Steuerkolben
e3 und unterstützt die Bewegung des Hauptschiebers. Nach weiterer Zurücklegung,
des Schieberweges gibt der Kolben dl das Überströmen des Hochdruckdampfes aus Kanal
a3 nach dem Niederdruckzylinder unter den Kolben bN frei, und außerdem öffnet der
Kolben e3 den Kanal n1, so daß in weiterer Vollendung der Schieberbewegung der Steuerkolben
d2 Frischdampf in den Kanal a4 steuert und durch diesen die Schieberbewegung beendet
und für das neue Steuerspiel kraftschlüssig festlegt. Die einwandfreie Wirkungsweise
der Steuerung verlangt, daß die Umsteuerräume f 1 bzw. f 2
durch die
Leitungen o bzw. o1 abwechselnd mit dem Aufnehmerdruck oder mit dem Auspuff in Verbindung
gebracht werden. Aus diesem Grunde führen die Entlüftungsleitungen o bzw. o1 nicht
wie bei der Ausführungsform nach Abb. r und 2 direkt nach dem Auspuff, sondern nach
den entsprechenden, nach den Niederdruckzylindern führenden Dampfkanälen a5, a6.
Abb. 5 veranschaulicht die Verbindung des Umsteuerraumes f 2 durch Leitung o1 mit
dem Niederdruckeinlaßkanal al- und entsprechend den Anschluß des Umsteuerraumes
f 1 über die Leitung o mit dem Niederdruckeinlaßkanal a5.
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Die Wirkungsweise des vorhin ausgiebig erklärten Expansionsventils
ist hier nicht beschrieben worden, da sie die gleiche wie vorhin geblieben ist.
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Die nächsten Abbildungen zeigen Ausführungsformen der neuen Steuerung
ebenfalls für doppelt wirkendeVerbundkolbenkraftmaschinen, bei denen zur Betätigung
des Pufferkolbens eine vom Hochdruckkolben oder Niederdruckkolben betriebene Vorsteuerung
vorgesehen ist. Es ergeben sich durch diese Bauweise einige Vorteile, auf die näher
eingegangen werden soll. In Abb. 6 ist der Verteilungsschieber vertikal angeordnet
und besteht wiederum aus den Kolben e, e1, e2, e3. Entgegen der vorletzten Ausführungsform
nach Abb. 4 und 5 sind bei dieser nur zwei Verteilungskolben dl und d2 erforderlich,
zwischen denen der Dampfeintritt erfolgt. Die Enden des Pufferkolbenraumes f 5 stehen
durch die Leitungen 72, y3 bzw. y1, y4 mit dem Steuergehäuse eines Hilfsschiebers
in Verbindung. Dieser Hilfsschieber bewirkt im Totpunkt des Kolbens eine entsprechend
abwechselnde Beaufschlagung der Leitungen y3 bzw. y4 mit Frisch-oder Auspuffdampf.
Anstatt der auf der beiliegenden Zeichnung dargestellten Vorsteuerung kann diese
auch in anderer Weise ausgeführt werden, ohne daß durch deren anderweitige Ausbildung
das Wesen des vorliegenden Erfindungsgegenstandes irgendwie beeinflußt wird.
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Die bisherigen Verbindungen der kleinen Umsteuerräume f und
f 3 mit den Einlaßkanälen sind bei der vorliegenden Ausführungsform nicht
erforderlich, weil die zwangsläufig betriebene Vorsteuerung in den Totpunkteu des
Kolbens für den erforderlichen Dampfdruckwechsel sorgt. Auch wird in Abb.6 entgegen
den früheren Ausführungsformen die Füllungsregelung vom Schieber selbst vorgenommen,
indem er in der Dampfabschlußstellung die Entlüftungsleitungen o bzw. o1 mehr oder
weniger freilegt. Die Wirkungsweise ergibt sich wie folgt. Vom Einlaß E strömt Frischdampf
zwischen die Schieberkolben dl und d2 und bewirkt infolge der aus der Zeichnung
ersichtlichen Differentialwirkung ein Öffnen des Einlaßkanals a3 durch den Schieber.
Von dem Haupteinlaß E zweigt die Nebenleitung E' nach dem Steuergehäuse des Hilfsschiebers
ab. In der dargestellten Lage des Kolbens und Schiebers nach Abb.6 hat der Hilfsschieber
x den Kanal y3 freigegeben, so daß der Frischdampf unter den Pufferkolben e5 und
unter den Kolben e3 treten kann. Durch diese Beaufschlagung mit Frischdampf ist
die Lage des Schiebers eindeutig festgelegt.
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Erreicht der Kolben bH die Leitung in', wie Abb. 7 zeigt, dann strömt
wieder Dampf in den Umsteuerraum f 1 und setzt den Schieber in bekannter Weise in
Bewegung. Nach erfolgtem Abschluß des Einlaßkanals a3 durch den Kolben dl legt sich
der Anschlagkolben e4 gegen den mit Frischdampf festgehaltenen Pufferkolben e5.
Da bei dieser Ausführungsform auf die vorhin beschriebenen Expansionsventile verzichtet
werden soll, deckt in der in Abb. 7 dargestellten Dampfabschlußstellung der Kolben
e den Kanal ml ab, während ein Teil des Dampfes aus dem Umsteuerraum f 1 durch die
nur wenig geöffnete Leitung o entweichen kann. Den Austritt dieses Entlüftungsdampfes
kann man durch Ouerschnittsbemessung der Leitung o regeln, so daß hierdurch in anderer
Form auch ein Rücksteuern des Schiebers zum Zwecke einer nochmaligen Füllung erreicht
ist. Im Totpunkt angekommen, stößt die Platte v des Hochdruckkolbens bH an den Knopf
u der Schieberstange s
des Steuerschiebers x und zieht diesen herunter.
Hierdurch tritt der Dampf aus der Leitung 73
nach dem Auspuff A 3, während
frischer Dampf über die Leitung r4 über den Pufferkolben e5 und den Steuerkolben
e strömt und die Umsteuerung des Hauptschiebers vollendet.
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Abb. $ stellt die gleiche Ausführungsform des Schiebers in der Dampfabschlußstellung
dar, bei der jedoch die Füllungsregelung durch die vorhin beschriebenen Expansionsventile
vorgenommen werden soll. Diese sind jedoch der Übersichtlichkeit der Zeichnung wegen
wiederum nicht eingezeichnet worden. Der unter dem Hochdruckkolben bH entweichende
Dampf gelangt über die Leitung g4, den zwischen den Kolben d2 und e2 gebildeten
Raum nach dem Einlaßkanal a5 des Niederdruckzylinders, während der verbrauchte Dampf
dieses Zylinders über die Leitung a6 und den Schieber nach dem Hauptauslaß A 1 abströmt.
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In den Abb.9 bis iz ist eine Ausführungsform der Steuerung in verschiedenen
Stellungen erläutert, bei der wieder auf die zuletzt beschriebene Vorsteuerung verzichtet
worden ist. Eine einwandfreie Arbeitsweise des Hauptschiebers wird bei dieser Ausbildungsform
der Steuerung dadurch erreicht, daß der Hochdruck- bzw. der Niederdruckkolben in
seinen Totpunkten vom Dampf belastete Hilfsventile betätigt, die beim Hubwechsel
die Umsteuerräume f, f 3 und f 5
mit Frischdampf auffüllen. In dieser
Anordnung ist wieder auf die Verbindung der Dampfeinlaßkanäle mit den Schieberräumen
f bzw. f 3 zurückgegriffen. Ähnlich der Ausführung nach den Abb.4 und 5 führen diese
Verbindungsleitungen st bzw. W in die Umsteuerräume f
bzw. f 3. Desgleichen
sind diese durch zwei Kanäle r4 und 73 über r1 und r2 mit den Enden des Pufferraumes
f 5 verbunden, wie es die drei Abbildungen erkennen lassen. Die Wirkungsweise dieser
Ausführungsform ist folgende: Abb. 9 zeigt den Hochdruckkolben in seiner untersten
Stellung und den Schieber, der im Begriff ist, aus der Dampfabschlußstellung in
die Endstellung überzugehen. Von dem Haupteinlaß E gelangt der Hilfsdampf über die
Hilfsleitung E' zwischen die beiden Ventile w1 und ü,2. Diese sind außerdem mit
einer Feder y in ihren Endstellungen gehalten. Der von der Leitung E' kommende Dampf
strömt durch die Bohrung 2 und Bohrung z über den vom Kolben bH niedergedrückten
Steuerschieber w1 in die Leitung r5, r4 und r1. Der Pufferkolben e5 erhält hierdurch
Frischdampf, desgleichen der Steuerkolben e. Durch diese Druckbeaufschlagung der
genannten Flächen wird der Schieber in seine untere Endstellung getrieben, wobei
er zunächst den Kanal ifa:' durch Kolben e abdeckt. Nach Freigabe des Dampfkanals
a3 durch den Kolben dl findet eine Druckentlastung über dem Hochdruckkolben bH statt,
die sich auch durch die Leitung in nach dem Umsteuerraum f 2
fortpflanzt.
Da dieser Druck, welcher auf e2 zur Wirkung gelangt, nur Aufnehmerspannung hat,
kann ein einwandfreies Umlegen des Hauptschiebers in seine Endstellung auch dann
erfolgen, nachdem der Umsteuerraum f 1 nach dem Hauptauslaß Al entlüftet worden
ist. Hat der Kolbenschieber seine untere Endstellung nach erfolgter Umsteuerung
inne, dann tritt der Frischdampf in den Kanal a4 und durch die Leitung n1 auch über
den Kolben e, der dann wieder kraftschlüssig festgehalten wird. Hierdurch ist es
möglich, daß die Steuerventile zefl bzw. z12 nur im Totpunkt zur Wirkung zu gelangen
brauchen. Diese werden bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens durch den Dampfdruck
einschließlich der Feder wieder in ihre Endstellung zurückgesteuert, in der, wie
es Abb. zo veranschaulicht, die Verbindung der Hilfsleitung r6 mit der Leitung y4
bzw. r1 unterbrochen ist. Der Raum über dem Pufferkolben e5 steht durch die Leitung
r1 und r4 mit dem Umsteuerraum f in Verbindung und daher unter gleichem Dampfdruck.
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In Abb. zz hat der Hochdruckkolben bereits den Kanal zfa überschritten,
wodurch wieder der Abschluß der Füllung gegeben ist. Es sei noch erwähnt, daß die
Steuerventile w1 und w2 durch eine Bohrung 5 mit dem Niederdruckzylinder in Verbindung
stehen, so daß sie einwandfrei durch den zwischen ihnen befindlichen Frischdampfdruck
in den Endstellungen gehalten werden können.
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Während die bisher beschriebenen Ausführungsformen nur eine Füllungsregelung
im Hochdruckzylinder ermöglichen und der verbrauchte Dampf aus diesem über den Schieber
direkt in den Niederdruckzylinder geleitet wird, zeigen die Abb. 12 und 13 eine
Ausführungsform der Steuerung, welche eine gleichzeitige Füllungsregelung auch im
Niederdruckzylinder gestattet. Es wird hierdurch insbesondere bei Hochdruckdampfpumpen
eine bessere Wärmeausnutzung und ein noch ruhigerer Gang der Pumpe ermöglicht.
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Die Wirkungsweise der Steuerung erfordert in diesem Falle die Anordnung
eines Aufnehmers B, der zwischen dem Hoch- und Niederdruckzylinder eingeschaltet
ist. Auch hat der Schieber eine andere Form gegenüber den alten angenommen, um die
gewünschten Vorteile in einfacher Ausführung zu erreichen.
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Der Schieber arbeitet wieder in dieser Ausführung mit einer Vorsteuerung,
was jedoch nicht durchaus erforderlich ist. Der Dampfeintritt erfolgt bei E und
tritt zwischen den beiden Schieberkolben dl und d2 in den Schieberkasten ein. Um
verwickelte Leitungsanordnungen zu vermeiden, arbeitet der Schieber entgegengesetzt
den früheren Ausführungen beim Füllungsschluß derart, daß er nicht den
Einlaßkanal
nach dem Zylinder direkt abdeckt, sondern den Zuführungskanal. Der vom Schieber
hierbei gebildete Ringraum kommt als schädlicher Raum in Frage, was jedoch durch
die anderen Vorteile dieser Bauart in den Hintergrund tritt.
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In Abb. =2 gelangt der Dampf über den Einlaßkanal a3 in den Hochdruckzylinder.
Durch den Steuerschieber x sind in vorbeschriebener Weise der Raum über dem Pufferkolben
e5 und der Kolben e mit Frischdampf beaufschlagt, während der Raum unter dem Pufferkolben
e5 und der Kolben e3 über die Leitung y3 nach dem Auspuff A3 entlüftet ist. Der
aus dem Hochdruckzylinder entweichende Dampf gelangt durch den Kanal g4, durch einen
von den Kolben d3 -und d4 gebildeten Ringraum, über den Schlitz a$ in den Aufnehmer
B. Der Aufnehmerdampf strömt in gleicher Weise durch den Schlitz &7 über
den Schieber und den Einlaßkanal a5 in den Niederdruckzylinder. Der Dampf unter
dem Niederdruckkolben bN entweicht durch Kanal al, über den Kolbenschieber nach
dem Auspuff A 2.
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Setzt in Abb. 13 der Füllungsschluß in vorbeschriebener Weise
durch Beaufschlagung des Schieberraumes f 2 mit Zylinderdampf ein, dann wird nicht
nur der Eintritt des Frischdampfes in den Hochdruckdampfkanal a3 beendet, sondern
auch gleichzeitig der Übertritt des Aufnehmerdampfes nach dem Niederdruckzylinder,
da Kolben d' in der Dampfabschlußstellung den Schlitz a7 abdeckt. Es geht deutlich
aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, daß die vorliegende Anordnung des
Aufnehmers @värmetechnische Vorteile bietet.
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Auf die Beschreibung der Expansionsventile, mit denen dieser Schieber
ebenfalls ausgerüstet werden kann, ist auch hier verzichtet worden.
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Desgleichen schien es nicht erforderlich zu sein, in den Beschreibungen
der vorherigen Ausführungsformen der Verbundkolbenkraftmaschinen nochmals besonders
auf die Vorteile der Expansionsregelung gerade für die Verbundanordnung der Pumpe
hinzuweisen, da dieses eingehend zu Beginn der Beschreibung erfolgt ist.
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In den Abb. 14 bis 16 sind noch besondere Ausführungsformen einzelner
Teile der Steuerung dargestellt, wodurch dieselbe im Aufbau noch weiter vereinfacht
wird.
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Gegenüber den bisher erläuterten Ausführungsbeispielen des Schiebers
ist in den letzten Abbildungen der zur Regelung der Füllung erforderlichen Pufferkolben
e5 als Differentialkolben ausgebildet, dessen eine Fläche ständig mit Frischdampf
beaufschlagt ist. Hierdurch wird eine Vereinfachung der Vorsteuerung dadurch möglich,
daß nur eine Steuerleitung y4 von dem Vorsteuerorgan nach der größeren Fläche des
Pufferkolbens e5 erforderlich ist.
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Außerdem gewährleistet die in Abb. 14 und 16 veranschaulichte Bauweise
des Pufferkolbens stets ein sicheres Anspringen der Pumpe, ohne die zwar noch in
den Abbildungen zum Ausdruck gebrachte und in der Beschreibung erwähnte verschiedene
Bemessung der Verteilungsschieber d' und d2 durchführen zu müssen.
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Die Durchbildung des Schiebers bleibt hier die gleiche, wie sie schon
oben beschrieben ist. Der Pufferkolben besteht aus den Kolben e5 und e6, auf welch
letzteren - von größerem Querschnitt - der vom Vorsteüerorgan w geregelte und über
Leitung 74 zugeführte Steuerdampf wirkt. Der von den Kolben e5 und e6 gebildete
Raum f s wird durch Leitung o3 dauernd entlüftet, während in Abb. =4 die linke Seite
des Pufferkolbens durch die in der Schieberstange angeordnete Leitung y5 dauernd
mit Frischdampf beaufschlagt ist.
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In der Ausführung der Steuerung nach Abb. 15 ist nur eine umgekehrte
Dampfbeaufschlagung der Differentialflächen des Pufferkolbens in der Weise vorgenommen,
daß auf die linke Seite des Pufferkolbens über o3 Auspuffspannung tritt, während
in den Ringraum f 1 durch die Leitung v5 Frischdampf gelangt.
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Die Wirkungsweise des als Differentialkolben ausgebildeten Pufferkolbens
ist folgende: Das beim Anstellen der Maschine zwischen die Verteilungskolben d-
und d2 gelangende Treibmittel strömt durch Leitung y5 in den Umsteuerraum f 5 und
drückt den Pufferkolben nach rechts. Da auch das Treibmittel auf den Anschlagkolben
e4 wirken kann, wird der Hauptschieber in die rechte Endstellung gesteuert und in
dieser kraftschlüssig festgehalten.
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Erreicht der Hochdruckkolben den unteren Totpunkt, dann findet in
vorbeschriebener Weise die Umsteuerung des Vorsteuerorgans w durch Mitnahme der
Schieberstange s durch den Hochdruckkolben statt. Die vorher über die Schiebermuschel
x mit dem Auspuff A 3 verbundene Leitung 74 erhält dann Frischdampf, der auf die
größere Differentialfläche des Pufferkolbens gelangt und infolge der Differentialwirkung
diese nach links steuert. Damit kann der Hauptschieber aus der Dampfabschlußstellung
in die linke Endstellung übergehen, und das Arbeitsspiel beginnt von neuem.
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In der Ausführungsform nach Abb. 16 ist der Umsteuerraum des ebenfalls
als Differentialkolben ausgebildeten Pufferkolbens zwecks weiterer Vereinfachung
der Steuerung unmittelbar an den Umsteuerraum f des Steuerkolbens
e
angeschlossen.
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Durch diese Bauweise erübrigt sich die bisher erforderliche Trennung
der genannten Umsteuerräume, welche bei den erläuterten Ausführungsformen den Einbau
einer Stopfbüchse notwendig macht.
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Um die zum Festhalten des Schiebers in der Dampfabschlußstellung benötigten
Dampfkräfte
zu erzielen, ist der Kolben e5 des Pufferkolbens im
Durchmesser größer ausgeführt als der Steuerkolben e.
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Wie aus der Abb. 16 hervorgeht, tritt Steuerdampf durch Leitung y5
in den Raum zwischen die Kolben e und e5 und bewirkt durch die entstehende Dampfdruckdifferentialwirkung
auf diese bezeichneten Kolben einen Überdruck nach rechts, so daß der Schieber in
der dargestellten Abschlußstellung verharren muß.
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Findet, wie oben im Totpunkt des Arbeitskolbens bH, die Beaufschlagung
der großen Differentialfläche des Pufferkolbens über Leitung 14 mit Frischdampf
statt, so wird die Umsteuerung des Hauptschiebers in vorbeschriebener Weise vollendet.
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Die in den Abb. 14 bis 16 erläuterten Ausführungsformen von Einzelteilen
der Steuerung lassen sich selbstverständlich auch bei Ausbildungen der Steuerung
für Maschinen mit einfacher Dampfdehnung, wie die in den Abb. i und 2 dargestellt
sind, anwenden.