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Kolbendampfmaschine mit selbsttätigem Steuerkolbenschieber Die Erfindung
bezieht sich auf Dampfkraftmaschinensteuerungen; sie will eine verbesserte Steuerung
liefern, die bei baulicher Einfachheit verhältnismäßig billig herzustellen und zu
unterhalten ist und die zuverlässig und sicher arbeitet. Sie will einen Weg zeigen,
eine gute und sichere Umsteuerung herbeizuführen, ohne daß hohe Kolbengeschwindigkeiten
notwendig sind, und die mit geringem Dampfverbrauch arbeitet.
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Eine Steuerung gemäß der Erfindung ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
im folgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt Abb. 1 einen Längsschnitt
durch die Maschine nach Entfernung des Steuerkolbens, Abb. 2 einen Längsschnitt
durch den Steuerkolben, Abb. 3 einen Einzelteil des Steuerkolbens im größeren Maßstabe
in einer während seiner Bewegung eingenommenen Lage, Abb. 4 einen ähnlichen Schnitt
bei einer anderen Lage, die an einer bestimmten Stelle jeder Bewegungsperiode erreicht
wird, Abb. 5 einen Querschnitt nach Linie 4-4 in Abb. 3 ; Abb. 6 und 7 sind Querschnitte
nach Linien 6-6 bzw. 7-7 in Abb. 1; Abb. 8 ist ein Längsschnitt durch den Steuerzylinder;
Abb. 9 bis 11 sind Querschnitte nach Linien 9-9, 1o-1o und 11-11 in Abb. 8; Abb.
12 bis 1.4 sind schematische Längsschnitte durch Steuerung und Maschinenzylinder
in verschiedenen Stellungen.
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Die Steuerung nach Abb. i und 2 findet sich beispielsweise am Antriebsende
einer unmittelbar wirkenden Dampfpumpe, ohne auf diese Anwendung beschränkt zu sein.
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Aus den Zeichnungen geht die Einfachheit der Steuerung ohne weiteres
hervor. Sie besitzt nur einen einzigen beweglichen Steuerkolben 7, der in seinem
im Schieberkasten angeordneten Steuerzylinder 6 hin und her geht. Durch eine Reihe
von Kanälen regelt der Steuerkolben den Dampfzutritt und -a,uslaß in und aus einem
Arbeitszylinder 1, in welchem der Kraftkolben 2 hin und her geht.
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Die Arbeitsweise der neuen Steuerung ist besonders an Hand der Abb.
12, 13 und 1.1. zu verfolgen. Der Frischdampf gelangt vorn Einlaßstutzen 15 aus
zum Einlaßkanal 17 mit den beiden Enden 16, 16'. Bei der Stellung nach Abb.12 wirkt
er auf die rechte Seite des Kraftkolbens 2; dieser bewegt sich also nach links.
Der Steuerkolben 7 wird durch den Frischdampfdruck in seiner äußersten Lage links
gehalten. In dieser ist das Kanalende 16 durch den kopfartig erweiterten Teil 8
des Steuerkolbens 7 geschlossen, während das Ende 16' den Frischdampf durchläßt.
Dieser fließt weiter durch Öffnungen 18' in den Raum A' am Ende des Steuerzylinders
6.
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Vom Raum A' geht der Dampf durch Öffnungen
23' am
Kopf 9 des Steuerkolbens und entsprechende Öffnungen i9' im Zylinder 6 und dann
durch den Hauptdampfkanal ->i' des Dampfzylinders 1, wo er Arbeit leistet. Weiter
fließt Dampf vom Raum A' auch nach unten: durch einen Räum 22' am Ende des St zN
linders in einen Kanalraum 2-', der in Außenwand des Zylinders 6 eingearbeitet ist
(s. Abb. 6). Vom Raum 2.4' aus gelangt der Dampf über einen Kanal 25' in den Zylinder:
Die Wirkung des Kanals 25' wird später noch erläutert. Von der anderen Seite des
Arbeitskolbens 2 aus fließt der Abdampf über den Kanal 21 und einen im Steuerkolben
gebildeteil Ringraum 26 und tritt durch den Hauptauspuffkanal 27 und eine Öffnung
13 (Abb. 7) ins Freie.
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Auch der dem Raum A' entsprechende R aum A am linken Steuerzylinderende
steht zu dieser Zeit unter Auspuffdruck, weil er mit dein links vom Kolben 2 liegenden
Teil des Arbeitszylinders 1 über einen Auslaßkanal28, dessen Wirkung noch näher
geschildert wird, sowie durch Kanäle 23, 2q., 25, 35 und 40 verbunden ist. Auch
ein Ringraum B an der linken Seite des Steuerzylinders ist mit dein Auslaß über
die Kanäle 19, 2o, 21 und 27 verbunden.
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Der entsprechende Raum B' am anderen Ende ist bei der linken Stellung
des Steuerkolbens nach Abb. 12 abgeschlossen. Während der Bewegung des Steuerkolbens
nach links wurde eine gewisse Dampfmenge im Raum B' eingeschlossen; die die Kolbenbewegung
elastisch abfängt.
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Der im Raum A' herrschende Frischdampfdruck hält, wie ohne weiteres
ersichtlich, während der Bewegung des Kraftkolbens 2 nach links den Steuerkolben
7 in der ganz nach links verschobenen Lage. Der nach links weitergehende Kolben
:2 deckt zunächst ohne Änderung auf die Dampfverteilung die Mündung des Kanals 28
ab, durch den derRaum A über die Öffnungen 29 im Steuerzylinder 6 und die Öffnungen
23 im Steuerkolbenkopf 8 in Verbindung war. Geht der Kolben 2 noch weiter nach links,
so deckt er zunächst das Einmündungsende des Hauptkanals 21 ab. Der zwischen dem
linken Ende des Kanals 2 1 und dem Zylinderdeckel enthaltene Dampf wirkt als Polster,
das die Bewegung des Kolbens 2 allmählich verzögert. Von diesem Pufferraum geht
noch ein Hilfsauslaßkanal 31 aus, der über einen Zweigkanal 32 finit dem Kanal 21
verbunden ist; dieser Hilfskanal 31 läßt den zwischen Zylinderdeckel und Kolben
2 liegenden Dampf allmählich entweichen und gestattet dem Kolben z, mit verringerter
Geschwindigkeit seinen Hub fortzusetzen. In der Stellung der Abb. 13 hat der Kolben
auch den Hilfskanal 31 abgedeckt und an seiner rechten Seite inzwischen die Mündung
des Kanals 28 freigegeben, so däß von der rechten Kolbenseite aus Frischdampf durch
28 und eine Aussparung 33 im Steuerungsgehäuse ..sowie durch die Ringnut 34 im Steuerzylin-,#ier
6; ferner die Öffnungen :2c9 im Steuerl;olben in den Raum A eintreten kann. Der
Druck im Raum A wächst infolgedessen an. Der unter Druck stehende Dampf fließt weiter
um das linke Stirnende des Steuerkolbens herum zum Kanal 2:4 der Aussparung
30 im Gehäuse; von hier zum Kanal 25 und durch die kleine Bohrung
35 in den'Zylinderrauin i links vom Dampfkolben. Hierdurch wird der Kolben vollkommen
zum Stillstand gebracht, bevor ihm Frischdampf zwecks Rückbewegung nach bewirkter
Umsteuerung zugeführt wird. Da jetzt im Raum A sowie im Raum _4' Frischdampfdruck
herrscht, ferner der Räum B sich auf Auspuffdruck befindet, der Raum B' dagegen
auf einem Drück, vier annähernd dem Frischdampfdruck entspricht, so wird der Steuerkolben
7 beginnen, sich nach rechts zu bewegen. Dann fließt der Kammer B' Frischdampf vom
Raum A' durch Bohrungen 38' (Abb. 3 bis 5) und das Spiel zwischen einem Kolbenring
12 und der ihn aufnehmenden Nut 37' an der Steuerkolbenkante 14 zu. Während sich
der Steuerkolben 7 nach links bewegte; lag der Kolbenring 12 in der aus Abb. 3 ersichtlichen
Weise an - der rechten Seite der Nut 37' an. Er dichtete infolgedessen den Raum
B' ab, so daß Kompression darin erfolgen konnte. Sobald der Kolben aber nach rechts
geht, gelangt der Kolbenring 12 in die in Abb. .4 gezeigte Lage in der Nut, so daß
jetzt das Einströmen des Frischdampfes erfolgen kann. Die nunmehrige Druckverteilung
in den veriscliiedenen Kanälen und Zylinderräumen zeigt Abb. 13: Diese Zerteilung
der Dampfdrücke dauert an, wenn der Steuerschieber 7 nach rechts wandert, bis er
schließlich die Läge nach Abb. 1.>4 erreicht.
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Der in der Mitte des Steuerkolbens angebrachte Ring 26 ist so breit,
und die Kanalanordnungen sind so getroffen; daß beim Durchgang des Kolbens durch
die Mittelstellung Druckdampf aus einem Zylinderkanal entweicht, bevor ein anderer
Zylinderkanal dem Druckdampf zugänglich wird. Es ist auf diese Weise dafür gesorgt,
daß der Kolben 7 nicht etwa in Mittelstellung stehenbleibt und daß bei Öffnen des
nicht dargestellten Dampfzulaßventils sich der Schieber von einer etwa eingenommenen
mittleren Lage nach dem Hubende bewegt.
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Nach dem Vorbeschriebenen vermag sich der Steuerschieber nach rechts
dadurch zu bewegen, daß Dampf von dem Raum rechts vom Kolben über den Kanal 28 in
den Raum A
rend die beiden Dampfeinlaßleitungen in den Zylinderteilen
für die Schieberköpfe geschlossen sind, derart, daß beim Durchgang des Kolbenschiebers
durch die Mittelstellung der Austritt von der Arbeitszvlinderseite aus stattfindet,
nach welcher der Kolben gehen muß, bevor Frischdampf an jener Seite zugelassen wird,
an der sich der Kolben befindet.
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2. Maschine nach Anspruch r, -dadurch gekennzeichnet, daß die Einmündung
der Umkehrleitung (28) in den Arbeitszylinder jedes Kolbenkopfes in an sich bekannter
`eise in einen mittleren Teil dieses Stückes einmündet und daß jeder der Steuerkolbenköpfe
(8, 9) mit so angeordneten Durchlässen (23, 23') versehen ist, daß eine Verbindung
zwischen Umkehrkanal und dem Raum vor' dem Kolben nur erfolgt, wenn dieser sich
zwischen seiner Grenzlage und seiner Mittellage befindet, derart, daß beim Durchgang
des Kolbenschiebers durch die Mittelstellung die Einmündung des Umkehrkanals in
die Kammer, die dann unter Druck steht, im wesentlichen im gleichen Augenblick geschlossen
wird, in welchem der Austritt des Dampfes an der Arbeitszylinderseite erfolgt, nach
welcher der Arbeitskolben wandern soll und mit dem dann die Einmündungsöffnung des
Umkehrkanals in Verbündung steht.
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3. Maschine nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden
Seiten des Kolbenschiebers in an sich bekannter Weise die Arbeitskammer des Schieberkopfes
hinter diesem durch eine Zweigleitung (20, 20') mit den Dampfaustrittsleitungen
verbunden ist, während ,deren mit dem Mittelteil des Schiebers zusammenwirkende
Mündung immer von der betreffenden Arbeitskammer des Schiebers getrennt ist.
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.4. Maschine nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mündung jeder Zweigleitung hinter dein Steuerkolbenkopf so angeordnet ist, daß die
Durchlässe im Kopf gegenüber der Mündung liegen, wenn sich der Kopf in der hinteren
Stellung befindet, derart, daß die Zweigleitung (20, 20') dann mit dein Raum vor
dem Kolbenschieberkopf verbunden ist und daß der Frischdampf zum Arbeitszylinder
durch den Dampfaustrittskanal (20 ', 2i') strömen kann.
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Maschine nach Anspruch ,4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenschieberköpfe
in bekannter `eise aus nach vorn zu offenen Hohlzylindern bestehen und daß die Querkanäle
in den Köpfen nur die Hohlzylinderwandungen durchbrechen.
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6. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einmündung
jeder Zweigleitung (2o, 2z') so angeordnet ist, daß der Kopf sie schon ein wenig
vor Erreichung seiner hinteren Stellung abschließt, derart, daß sich hinter dem
Kolbenschieberkopf ein stoßfangendes Dampfkissen bildet.
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7. Maschine nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, da.ß die
zylindrische Außenseite jedes Kopfes zwischen dessen Hinterfläche und der Ausmündung
des Querkanals (23, 23') mit einer Eindrehung versehen ist, von der aus ein Kanal
(38, 38') zur Hinterfläche des Kolbens führt, und daß in den Eindrehungen Dichtungsringe
(i2) liegen, die schmaler und weniger tief sind als die Eindrehungen, derart, daß
die Kolbenringe als Ventile wirken, die die Kammer hinter dem Kopf abschließen,
wenn dieser in seiner hinteren Stellung ankommt, die dagegen eine Verbindung zwischen
den Kanälen (38,38') und der anliegenden Mündung der Zweigleitung mit der Kammer
vor dem Kopf herstellen, wenn dieser seine hintere Stellung wieder verläßt.
eingeleitet
wurde, Im Verlauf der Steuerkolbenbewegung nach rechts wird der Dampfeinlaßlanal
16 geöffnet, so daß der Frischdampf vom Einlaß 15 aus zum Raum A gelangt und den
Schieber 7 weitertreibt. Dabei wird das obere Ende des Kanals 28 geschlossen und
der Raum Aallein vom Einlaß i5-aus satt vom Zylinder i durch den Kanal 28 gespeist.
Aus Abb. 13 erkennt man, daß die Bewegung des Steuerkolbens 7 nach rechts zunächst
die Bohrungen 18 und 4.3' öffnet und danach die Kanäle 18' und 43 abschließt. Das
t@ffnen von 4.3' und Schließen von 18' gestattet den Austritt des Dampfes von der
rechten Seite des Kolbens 7 sowie aus den Räumen A' und B'. Nach Abb. 1.4 enthält
der Raum B Dampf vom Auspuffdruck. Die Weiterbewegung des Schiebers 7 nach rechts
öffnet die in der linken Seite des Schiebers vorhandenen Bohrungen, die den in Abb.
3 und d: in der rechten Seite des Schiebers angegebenen Bohrungen 38' .entsprechen
und durch die der Dampf vom Raum A in den Raum B gelangt. Nach Abschluß dieser Bohrungen
wird der im Raum B eingefangene Dampf verdichtet und bewirkt dann das allmähliche
Stillsetzei des Kolbenschiebers, wie es oben bei seiner Bewegung nach links bezüglich
des Raumes B' schon geschildert wurde.
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Nach Abb. 14. ist der Umleitkanal 29 geschlossen, und es wird Dampf
über den Durchläß i8 zum Raum A und somit auf die linke Seite des Steuerschiebers
7 geleitet, während die rechte Seite des Steuerkolbens jetzt an den Auspuff angeschlossen
ist. Nunmehr beginnt der Arbeitskolben 2 sich nach rechts zu bewegen, wobei er eine
allmählich zunehmende Dampfmenge nacheinander durch die Kanäle 35, 31 und do, 25
sowie schließlich durch den Hauptkanal 21 erhält. Wenn der Dampfkolben auf diese
Weise nach rechts geht, während der Steuerkolben 7 schon ganz nach rechts gegangen
ist, gelangt man schließlich in die Stellung, die die Umkehrung der Lage nach Abb.
1ä darstellt. In diesem Augenblick sind die Dampfverhältnisse in allen Kanälen links
vom Steuerkolben die gleichen wie in Abb. 12 an .der rechten Seite und umgekehrt:
Zu diesem Zeitpunkt, in welchem der Steuerkolben 7 ganz rechts steht und der Arbeitskolben
2 nach rechts wandert, ist der Einlaßkanal 28' am oberen Ende mit dem Raum A' in
Verbindung; damit ist die Zufuhr von L# rischclampf von der Rückseite des Kolbens
:2 ', zum Raum A' vorbereitet, um die Umsteuerung des Steuerschiebers herbeizuführen,
wenn der Arbeitskolben 2 das rechte Hubende erreicht und dabei das untere Ende des
Kanals 28' freigegeben hat.
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Die Arbeitsfolge.der beiden Kolben 2 und 7 -erläuft also praktisch
so, daß der Arbeitskolben nach links wandert, während der Steuerkolben links steht,
und daß der Arbeitskolben nach rechts wandert, während der Steuerkolben rechts steht.
Arbeitskolben und Steuerkolben weisen somit praktisch wechselnde Perioden von Stillstand
und Bewegung auf. Diese Bewegungsfolge verlangt eine bestimmt festgelegte Verteilung
des Dampfdruckes in den Steuerkanälen. Es wäre möglich, daß hierbei die Steuerung
nicht einsetzen könnte und daß der Steuerkolben in seiner Hubmitte stehenbleiben
würde, wenn man versucht, ihn in Gang zu bringen. Um diese Gefahr auszuschließen,
wird dem einen -Ende des Steuerkolbens ein etwas größerer Durchmesser erteilt als
dem anderen, was aus Abb. 2 sowie 12 bis 14 erkennbar ist, und zwar ist es hier
das rechte Ende; entsprechend ist auch die rechte Seite des Steuerzylinders 6 auf
größeren Durchmesser ausgebohrt als die linke.
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Wenn unter diesen Umständen die Maschine durch Aufdrehen des Frischdampfventils
angelassen wird, so hat der Steuerkolben die Neigung, sich nach einer bestimmten
Richtung, in diesem Falle nach links, zu bewegen Dabei tritt dann die geschilderte
Arbeitsweise ohne weiteres ein.
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Außer den Öffnungen 18, 18', 29, 29; i9 und i9' in dem Steuerzylinder
6 sind noch Sätze von Öffnungen 43, .43' und 44 vorgesehen, die eine gute Verteilung
des Damfes in der Querrichtung gestatten und die gute Verbindung mit den Differentialdruckräuniel
B, B', Kanälen 21, 21' und Auslaßräumen 27 sichern. PATENTANSPRÜCHE: 1: Kolbendampfmaschine
mit selbsttätigem Steuerkolbenschieber mit mittlerem, den Dampfaustritt steuerndem
Teil und zwei Schieberköpfen größeren Durchmessers, die am Mittelteil befestigt
sind und den Frischdampf verteilen und deren Zylinder hinter jedem Kopf mit der
Austrittsöffnung des entsprechenden Arbeitszylinderendes in Verbindung gelangen
kann, deren Einmündung in das Zylinderende durch den Arbeitskolben gegen Hubende
abgeschlossen wird, während die Steuerkolbenzylinderteile vor dem Kopf an einen
Umkehrkanal angeschlossen sink der in das betreffende Arbeitszylinderende an einer
Stelle einmündet, die der Arbeitskolben am Ende seines Hubes gerade überschritten
hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerkanäle im Kolbenschieber und seinem
Zylindergehäuseso angeordnet sind, daß in der Mittelstellung des Kolbenschiebers
die beiden Auspuffleitungen des Arbeitszylinders nach außen offen sind, wäh-