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Verfahren zum Betrieb einer schwungradlosen Kolbenkraftmaschine -
zum Antrieb einer Kolbenpumpe Die -Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Betrieb einer schwungradlosen Kolbenkraftmaschine zum Antrieb einer Kolbenpumpe
und auf eine Maschine zur Ausführung dieses Verfahrens. Das Verfahren nach der Erfindung
besteht darin, daß der Einlaß von Antriebsmittel durch eine Steuervorrichtung so
beeinflußt wird, daß nur während eines Teiles eines Hubes Antriebsmittel in den
Zylinder der Kraftmaschine strömt, so daß nach dem Einlaßende während eines weiteren
Teiles des Hubes eine Expansion im Zylinder der Kraftmaschine entsteht, wobei die
abnehmende Antriebsenergie durch die Bewegungsenergie, insbesondere der geförderten
Flüssigkeit, ergänzt wird, welche während des vorangehenden Teiles des Hubes gespeichert
wurde. Zur Ausführung des Verfahrens kann eine schwungradlose Kolbenkraftmaschine
so ausgebildet sein, daß die Einlaßsteuervorrichtung während eines Teiles des Arbeitshubes
eine solche Menge von Antriebsmittel in den Kraftmaschinenzylinder strömen läßt,
daß die dabei in der Fliissigkeitssäule aufgespeicherte Bewegungsenergie ausreicht,
während der anschließenden Expansion die abnehmende Förderenergie des Antriebsmittels
zu ergänzen.
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Sowohl zur Steuerung der Zufuhr frischen Antriebsmittels als auch
zur Unterbrechung der Zufuhr frischen Antriebsmittels kann je eine mit Hilfe eines
Druckmittels betriebene Steuervorrichtung- vorgesehen sein. In die Druckmittelzuführungsleitung
einer der Steuervorrichtungen kann ein Drosselorgan eingebaut werden, mit dessen
Hilfe durch Veränderung der Druckmittelzufuhr die Hubzahl der Pumpe geregelt wird.
Es empfiehlt sich, die Förderleitung so zu bemessen, daß die Bewegungsenergie der
in ihr enthaltenen Flüssigkeit ausreicht, die Flüssigkeit nach Unterbrechung der
Zufuhr frischen Antriebs-, mittels weiterhin zu fördern.
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Ein Beispiel des Erfindungsgegenstandes ist auf der Zeichnung durch
Fig. i bis 3 in verschiedenen Steuerstellungen vereinfacht dargestellt, während
in. Fig. q. an Hand einiger Diagramme die Wirkungsweise erläutert ist.
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Der Antriebskolben i treibt über die Kolbenstange a den Pumpenkolben
3 an. Zur Steuerung der Kolbenbewegung ist eine aus den Steuerzylindern q. und 5
bestehende Steuervorrichtung für den Beginn der Zufuhr frischen Antriebsmittels
und eine aus den Steuerzylindern 6, 7, 8 und 9 bestehende Steuervorrichtung für
die Unterbrechung der Zufuhr frischen Antriebsmittels vorgesehen.
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Durch die Leitung io wird das frische Antriebsmittel zugeführt, durch
die Leitung i i
strömt das entspannte Antriebsmittel zu weiteren
V6rbräuchstelleii.der ins Freie. Die zu fördernde Flüssigkeit .gelangt durch die.
Leitung 12 in den Zylinder des P:umpenkoI= bens und durch die Leitung 13 in die
FördQ##:: leitung. Den Steuervorrichtungen wird durl@ die Leitungen 14, 15, 16 und
17 eine Druck--e' "e zugeführt, die nach Verwendurg durch die Leitung 18 fortströmt.
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Der Antriebszylinder 2o besitzt zwei Einlaßventile 21 und 22 und zwei
Auslaßventile 23 und 24, welche je durch einen Kolben 25, 26, 27 bzw. 28 gesteuert
werden. Der Pumpenzylinder 29 enthält zwei Saugventile 3o und zwei Druckventile
31, so daß der Pumpenkolben 3@in doppeltwixkender Arbeitsweise bei jedem Hub aus
der Leitung 12 auf der einen Seite Flüssigkeit ansaugt und auf der anderen Seite
nach der Leitung 13 Flüssigkeit verdrängt.
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Der Steuerschieber 33 im Gehäuse 5 steht auf beiden Stirnseiten unter
dem Einfluß der in den Zylinderräumen 34 und 35 enthaltenen Druckflüssigkeit, die
aus der Leitung 14 über das Drosselorgan 36 und durch die Leitungen 37 bzw. 38 mittels
des Steuerschiebers 39 gesteuert und durch die Leitungen 4o bzw. 41 in die Zylinderräume
34 und 35 geführt wird. In der Stellung von Fig. i strömt das Druckmittel in den
Zylinderraum 34 und drückt langsam den Umsteuerschieber 33 aufwärts. ' 'Die Leitung
15 steht über der Leitung 42 mit der Leitung 44 in Verbindung, der Zylinderraum
46 ist infolgedessen mit Druckflüssigkeit gefüllt, welche den Kolben 39 in seiner
unteren Endlage festhält. Die im Zylinderraum 45 verdrängte Flüssigkeit ist durch
die Leitungen 43 und 47 in die Ablaufleitung 18 aasgeschoben worden. Aus der Leitung
15 strömt außerdem Druckflüssigkeit in die Leitung 5, und aus dieser durch
die Leitungen 52 und 53 bzw. 54 zu den Steuerzylindern 7 bzw. 8; wird dort aber
vorerst an einem Weiterströmen durch die Schieber 56 und 57 noch verhindert.
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Der Zylinderraum des Steuerkolbens 25 ist über die Leitungen 59, 63,
65 und 5o mit der Ablaufleitung 18 verbunden. Die den Kolben 25 belastende Feder
drückt das -Einlaßventil 21 in geöffnete Stellung, dadurch strömt in den zur linken
Seite des Antriebskolbens i befindlichen Zylinderraum frisches Antriebsmittel. Auch
der Zylinderraum des Steuerkolbens 28 ist über die Leitungen 62, 64, 65. und
50 mit der Ablaufleitung 18 verbunden. Das Auslaßventil24 wird somit durch
die den Steuerkolben 28 belastende Feder in geöffnete Stellung gedrückt. Das im
Zylinderraum zur rechten Seite des Antriebskolbens i bereits entspannte Antriebsmittel
wird dabei in die Auslaßleitung i1 aasgeschoben. Die Zylinderräume der Steuerkolben
26 und 27 stehen über die Leitungen 6o bzw. 61 mit .,den Zuführungsleitungen 16
bzw. 17 in Ver-Ixhdung. Die Ventile 22 - bzw. 23 werden durch die Druckflüssigkeit
mittels der elben 26 und 27 unter Spannung der den Kolben belastenden Federn gegen
die Sitze gepreßt.
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In der Steuerstellung der Fig. i beginnt der Antriebskolben z den
Pumpenkolben 3 mittels der Kolbenstange 2 nach rechts zu ziehen. Mit Hilfe des Mitnehmers
66 und des Hebels 67 wird die Schieberstange 68 mit den Steuerschiebern 55, 57 nach
rechts und die Schieberstange 69 mit den Steuerschiebern 56, 58 nach links verschoben.
Wenn in einer der nächstfolgenden Stellungen die Steuerkante 7o des Steuerschiebers
57 die Steuerkante 71 des Steuergehäuses 8 erreicht, wird die Leitung 61 von der
Zufuhrleitung 17 abgeschlossen. Zu gleicher Zeit aber gibt die Steuerkante 72 des
Steuerschiebers 57 die Steuerkante 73 des Gehäuses 8 frei, so daß nunmehr die Druckflüssigkeit
aus der Leitung 54 in die Leitung 61 gelangt und das Auslaßventil23 auch weiterhin
geschlossen hält. Gleichzeitig wird auch der Umsteuerschieber 33 im Gehäuse 5 nach
Maßgabe der durch das Drosselorgan 36 über die Leitungen 37 und 40 in den Zylinderraum
34 strömenden Flüssigkeit langsam aufwärts geschoben.
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Nachdem ein bestimmter Weg, beispielsweise 55O% des Hubes vom Antriebskolben
i und Pumpenkolben 3 durchschritten ist, sind die Steuerorgane in die in Fig. 2
gezeichnete Lage gelangt, in welcher die Verbindung der Leitungen 63 mit der Leitung
59 unterbrochen, dagegen aber eine Verbindung der Leitung 59 mit der Leitung 16
hergestellt ist. Durch die Druckflüssigkeit aus der Leitung 16 wird dann mit Hilfe
des Steuerkolbens 25 das Einlaßventi121 geschlossen, so daß von dieser Hubstelle
an das im Zylinderraum zur linken Seite des Antriebskolbens i befindliche Antriebsmittel
expandiert.
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Bei weiter nach rechts fortschreitender Bewegung der Kolben bleiben
das Einlaßventil 22 und das Auslaßventil23 weiterhin geschlossen, während das Auslaßventil
24'in geöffneter Stellung verbleibt, so daß das Antriebsmittel im Zylinderraum links
vom Antriebskolben i weiter expandiert und im Zylinderraum rechts vom Antriebskolben
i weiter aasgeschoben wird.
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Mittlerweise ist auch der Umsteuerschieber 33 durch die durch das
Drosselorgan langsam zuströmende Druckflüssigkeit angehoben worden. Die Leitungen
42 und 47 wurden dabei geschlossen. Da jedoch die 7ylinderräume 45 und 46 des Steuerzylinders
4 mit anderen Leitungen nicht in Verbindung
stehen, bleibt der Steuerkolben
39 in seiner Lage stehen.
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Bei weitergehender Bewegung der Kolben wird die in Fig. 3 gezeichnete
Stellung der Steuerorgane erreicht, in der auch der Steuerschieber 58 die Verbindung
zwischen den Leitungen 62 und 64 unterbricht, dafür aber die Zuführungsleitung 17
mit der Leitung 62 verbindet. Die Druckflüssigkeit strömt dann in den Zylinderraum
des Steuerkolbens 28 und drückt das Auslaßventil a4 in geschlossene Stellung. Es
wird dadurch ein Polster des kompressiblen Antriebsmittels im Zylinderraum rechts
vom Antriebskolben i eingeschlossen, welches zur Abbremsung des freifliegenden Kolbenaggregats
i, 3 dient. Dabei wird das eingeschlossene Antriebsmittel bis zum völligenStillstand
derKolben verdichtet.
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Nach Stillstand der Pumpenkolben steigt der Umsteuerkolben 33 weiter
an, bis die Leitung 44 mit der Ablaufleitung 48 und die Leitung 43 mit der Zuführungsleitung
42 in Verbindung setzen. Jetzt wird durch eine rasche Bewegung der Steuerkolben
39 in die obere Stellung gedrückt, worauf in einem entsprechenden Steuervorgang
die Kolben i und 3 wieder nach links bewegt und in der linken Umkehrstellung angehalten
werden. Je nach der Durchlaßöffnung der durch das Drosselorgan 36 zutretenden Druckflüssigkeit
wiederholt sich dieses Kolbenspiel in mehr oder weniger rascher- Folge, so daß durch
die ()ffnung des Drosselorgans 36 die durch die Pumpe geförderte Flüssigkeitsmenge
eingestellt werden kann.
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Der beim Betrieb der Pumpe sich einstellende Kräfteverlauf ergibt
sich aus dem Diagramm der Fig.4, in welchem als Abszisse zwischen den Punkten L
und R der Weg des Hubes der Pumpenkolben und als Ordinate von der Nullinie O aus
gerechnet die auf die Kolben vom Antriebsmittel bzw. von der Flüssigkeit ausgeübten
Kräfte aufgetragen sind. Der Kräfteverlauf im linken Zylinderraum des Antriebskolbens
ist durch die ausgezogen gezeichnete Schleife D, und der Kräfteverlauf zur rechten
Seite des Antriebskolbens durch die gestrichelt. gezeichnete Schleife D,. dargestellt.
Wird die daraus resultierende Antriebskraft, welche auf den Antriebskolben ausgeübt
wird, ermittelt, so ergibt sich die strichpunktiert gezeichnete Schleife K, aus
deren Verlauf ersichtlich ist, daß die Antriebskraft vom Umkehrpunkt des Kolbens
L bzw. R bis zum Abschluß der Füllung ZR b:zw. ZL nahezu konstant verläuft, dann
aber rasch absinkt bis zum Wert des Einlaßdruckes im anderen Umkehrpunkt R bzw.
L.
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Die zur Förderung der Flüssigkeit notwendigen Kräfte ergeben das Strichpunkt-Punkt
gezeichnete Rechteck P. Durch Vergleich des Kräfteverlaufs K auf der Antriebsseite
und des Kräfteverlaufs P auf der Pumpenseite ergibt sich, daß während eines beträchtlichen
Teiles des Hubes die durch die waagerecht schraffierten Flächen AL und AR dargestellten
Kräfte über die benötigten Förderkräfte hinaus durch die Kolbenstangen dem Pumpenkolben
zugeführt werden. Diese Kräfte werden benutzt, um die Kolbenmassen und die Massen
der Flüssigkeitssäule in der Saugleitung, im Zylinder und in der Druckleitung zu
beschleunigen. .
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Bei zunehmender Expansion des Antriebsmittels im Antriebszylinder
wird jedoch von den Kolbenstellungen SL bzw. SR die auf den Antriebskolben wirkende
Antriebskraft kleiner als die zur Förderung der Flüssigkeit notwendige Kraft. Die
zur Förderung bis an das Umkehrende R bzw. L notwendigen Ergänzungskräffe sind durch
die senkrecht schraffierten Flächen BL und BR dargestellt. Diese Kräfte werden
dadurch gewonnen, daß die während des vorangehenden Teiles des Hubes durch die Beschleunigung
der Massen aufgespeicherten Kräfte wieder durch Verzögerung der Massen zurückgewonnen
werden.
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Die Pumpe nach der Erfindung wird finit besonderem Vorteil zur Speisung
von Dampferzeugern, insbesondere Röhrenhochdruckdampferzeugern, verwendet, weil
sie leicht geregelt werden kann und wegen weitgehender Einschränkung bewegter Teile
besonders gegen den staubigen Betrieb der Kesselhäuser unempfindlich ist. Als Antriebsmittel
wird dann vornehmlich Dampf verwendet. In anderen Fällen können aber auch Druckluft
oder andere Druckgase zum Antrieb herangezogen werden. Außer Druckflüssigkeit können
unter Umständen auch Druckluft oder Druckgase zur Steuerung herangezogen werden.
Gewöhnlich wird zur Erzeugung des Druckmittels für die Steuerung eine besondereFörderanlage
vorgesehen sein. Es könnte aber auch unmittelbar ein Teil der von der Pumpe geförderten
Flüssigkeit zur Steuerung herangezogen werden, wobei dann eine Hilfsfördervorrichtung
vorgesehen wäre, die die vorübergehende Erzeugung des Druckmittels beim Anlaufen
zu übernehmen hätte..