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Vorrichtung zum selbsttätigen Regeln der Geschwindigkeit von mit gasförmigen
Treibmitteln, insbesondere Druckluft, arbeitenden Kraftmaschinen Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum selbsttätigen Regeln der Geschwindigkeit von mit gasförmigen
Treibmitteln arbeitenden Kraftmaschinen, insbesondere von Drwckluftmotoren. Um die
mechanisch umständliche Steuerung der Tneibmittelzufuhr durch einen von der Arbeitsgeschwindigkeit
der Kraftmaschine b:eeinflußten Maschinenteil zu umgehen, hat man für Dampfmaschinen
bereits vorgeschlagen, die Steuerung durch Drosselung des Treibmittelstromes an
eüier festen Staustufe zu bewirken. Im besonderen wurde eine Anordnung ,empfohlen,
bei welcher ein den Dampfstrom. vor der festen Staustufe steuerndes Ventil mit einem
Steuerkolben verbunden war, ,auf welchen der vor der festen Staustufe herrschende
Druck im schließenden Sinne und der hinter der Staustufe herrschende Druck im öffnenden
Sinne wirkte. Da indessen hierbei beide wirksamen Stirnflächen des Steuerkolbens
gleich groß sind, wird die beabsichtigte Geschwindigkeitsregelung nur sehr unvollkommen
erreicht; insbesondere ist die eingeregelte Strömungsgeschwindigkeit von ,der Höhe
des Arbeitsdruckes stark abhängig.
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Nach der Erfindung wird praktisch vollkommene Unabhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit
hinter der Staustufe von dem Betriebsdruck und außerdem auch eine geringere Ungleichförmigkeit
bei wechselnder Belastung durch den Arbeitswiderstand erreicht, indem der erwähnte,
vor einer festen Staustufe .angeordnete Steuerkolben als Stufenkolben ausgebildet
wird und seine große Stirnfläche von einer Feder- oder Gewichtskraft, die annähernd
gleich dem auf dieUnterschiedsfläche wirkenden atmosphärischen Luftdruck ist, belastet
und von dem Druck hinter der Staustufe beaufschlagt ist, dagegen die kleinere Stufenfläche
von dem Druck im Raum vor der Staustufe und hinter dem Steuerkörper beaufschlagt
ist. Hierdurch wird der Einfluß des bei Gasen und Dämpfen mit dem Druck veränderlichen
Volumens. auf die Arbeitsgeschwindigkeit der - Kraftmaschine praktisch ,ausgeschaltet
und die Einrichtung zur Regelung der Arbeitsgeschwindigkeit auch bei -wechselnden
Betriebsdrücken brauchbar. Da der Steuerkörper für die Treibmittelzufuhx vorteilhaft
als entlasteter Kolbenschieber ausgebildet werden kann, läßt er sich mit dem Stufenkolben
zu einem einzigen Körper vereinigen, wodurch eine besonders einfache Gestaltung
des Reglers ermöglicht wird.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der als Steuerkörper
ausgebildete hohle Stufenkolben von dem an seinem Umfange allseitig einströmenden
Treibmittel in Achsrichtung durchströmt und die Staustufe entweder in ihm selbst
als Bohrungen in der Stirnwand angeordnet oder von seinem Rand
und
der Gehäusebohrung gebildet. Es können auch beide Anordnungen von Staustufen zugleich
vorhanden sein. Hierdurch werden besondere Druckkanäle im Gehäuse entbehrlich.
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Die grundsätzliche Arbeitsweise einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
geht aus den Abb. i und 2 hervor, während die Abb. 2 bis 5 verschiedene Ausführungsformen
im Schnitt zeigen.
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In der parallel zur Treibmittelletungr angeordneten Bohrung des Gehäuses
,a ist ein Stufenkolben h mit seinem Schaft i durch eine Deckelboh.rung,zum
Ges,chwin.digkeitsanzeiger tv in Abb. i geführt, während sich seine gegenüberliegende
Stirnseite gegen :eine Feder p abstützt. In die Gehäusebohrung münden vor und hinter
dem Kolbenteil lt Kanäle« und h,
welche von der Trwlbmittell@eitun;g r vor
und hinter der Drosselschr:aubed ausgehen. Bezeichnen F die Gesamtstirnfläche des
Kolbens h, f -den Schaftquerschnitt von i, p, den Druck vor der Drosselschraube
d, also im Kanal g, und P4 den Druck hinter der Drosselschraub, am Kanal h, p" den
äußeren Luftdruck und P,- d:,e durch die Federe ausgeübte Rückstellkraft, dann gilt
für die Gleichgewichtslag e P2-(F f)+Ps-f-P4'F+pr. Wenn nun P, gleich p" #
f gemacht wird, also p. - f - P, ist, dann vereinfacht sich die Gleichung
in p- (F - f) = P4 - F oder
weil
unveränderlich ist.
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Für die Strömungsgeschwindigkeit gilt nun bei geringen Druckgefällen,
um die es sich hierbei bandelt:
hierin ist zu setzen , und da T.; als unveränderlich .angeseh;en
werden darf, mithin cp- 2g R' T2 konstant ist, vereinfacht sich die Beziehung
zu
oder
oder
Da hiernach das Quadrat der Geschwindigkeit w2 proportional ,dem verhältnismäßigen
Druckabfall
ist und der verhältnismäßige Druckabfall durch das Stufenkolbenverhältnis F festgelegt
ist, wird die Vorrichtung immer unabhängig von dem absoluten Druck und vom spezifischen
Volumen des Treibmittels bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit im Gleichgewicht
sein. Sie ist also imstande, bei der Ausbildung nach der Abb. i jede Abweichung
von der vorgeschriebenen Geschwindigkeit anzuzeigen und damit einen Steuerkörper,
der in der Treibmittelleitung hinsichtlich der Strömungsrichtung vor der Staustufe
liegt, derart einzustellen, daß unabhängig vom absoluten Druck in der Treibmittelleitung
zwischen dem Regler und der Kraftmasübine eine gleichbleibende Strömungsgeschwindigkeit
aufrechterhalten wird (Abt. 2).
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Es sind an sich schon Vorrichtungen zum Anzeigen und Regeln der Geschwindigkeit
eines in Rohrleitungen strömenden gasförmigen Mittels bekannt, bei welchen zur Ausschaltung
des Einflusses des veränderlichen Druckes :außer dem unter dem Einfluh des Geschwindigkeitsdruckes
stehenden Kolben ein Zusatzkolben, derart angeordnet ist, daß eine auf ihn wirkende
Gewichts- oder Federbelastung dem Druck der äußeren Atmosphäre auf ihn das Gleichgewicht
hält. Abgesehen davon, daß der Zusatzkolben von dem unter dem Geschwindigkeitsdruck
stehenden Kolben räumlich getrennt angegeben ist und zusätzliche Rohrleitungen erfordert,
ist die von dieser Einrichtung geregelte Steuervorrichtung hinter der Staustufe
angeordnet, so daß zwar die Geschwindigkeit vor der Steuervorrichtung gleichgehalten
wird, :aber nicht diejenige hinter ihr. Die vorbeka.nnte Einrichtung ist somit zum
Regeln der Geschwindigkeit einer Kraftmaschine für gasförmige Treibmittel nicht
brauchbar und ist auch hierfür nicht bestimmt gewesen.
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Die Anordnung und Wirkungsweise einer Einrichtung nach der Erfindung
ist in den Abb. z bis 5 in mehreren Ausführungsformen im axialen Schnitt gezeigt,
während die Abb. i nur den wesentlichen Bestandteil, die die Staustufe enthaltende
Geschwindigkeitsmel)vorrichtung, zeigt.
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In der Abb.2 ist der Stufenkolbenla mit dem Schaft! entgegen der Strömungsrichtung
durch den Boden des Gehäuses. hindurchgeführt und mit dem Hebelarm des Steuerhahnes
v verbunden. Bei wachsender Strömungsgeschwindigkeit vergrößert .sich der Druckabfall
zwischen der Kanalbohrung g vor der Drosselstelled und der Kanalbohrung k hinter
bzw. in der Drosselstelle derart, daß der Stufenkolben unter `Gberwindung der augenblicklichen
Federrückstellkraft sich nach rechts bewegt und .am Steuerhahn v den Durchflußquerschnitt
verkleinert. Dadurch tritt das Treibmittel mit verringertem Druck in die Meßstelle
g, d, h und in die Kraftmaschine ein, welche infolge des verringerten Treibmitteldruckes
auch
ein kleineres Arbeitsmoment ausübt.
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In .der Ausführung nach Abb.3 ist der Stufenkolben m; L, h',
j mit einer Eindrehung bei L versehen, reit deren Kanten die Luftmenge vor
dem Drosselkörper d gesteuert wird. Das Ventil steht senkrecht, so daß das Gewicht
des Stufenkolbens dem äußeren Luftdruck das Gleichgewicht halten kann, wenn sein
Gewicht Q = p" . j gleich dem auf den Kolbenschaft i wirkenden äußeren
Druck gemacht wird. Bei der durch das Flächenverhältnis
gemäß der Gleichung
festgelegten Geschwindigkeit tv des Treibmittels würde der Kolben frei schweben,
wenn die Federe nicht gespannt ist. Bei kleinerer Strömungsgeschwindigkeit überwiegt
die Kraft p@ # F und verschiebt den Steuerkörper nach unten und vergrößert dien
Durchfußquersamitt bei ,e. Die zusätzlich zum wirkende Feder p kann an dein über
ihr befindlichen Gewindestopfen verschieden stark vorgespannt werden, so daß, mit
Hilfe des Stopfens die Geschwindigkeit in gewissen Grenzen geregelt werden kann.
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Die Abb. q. zeigt eine Fortbildung des Steuerreglers nach Abb.3. Das
Treibmittel strömt hinter den steuernden, am Umfang des, Stufenkolbens gleichmäßig
verteilten Einströmöff# nungen tt in Achsrichtung durch den hohlen Stufenkolben
und verläßt diesen durch öffnungen gi, welche die Staustufe bilden. Diese Anordnung
hat den Vorteil, daß. keine zur Verstopfung neigenden Verbindungskanäle, g und lt
in den Abb. i bis 3, erforderlich sind und der das Treibmittel steuernde Stufenkolben
von quergerichteten Strömungsdrücken vollkommen entlastet ist, weil sich derartige
Drücke infolge der achsensymmetrisehlen Anordnung der Einströmöffnungen am Stufenkolben
aufheben.
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Die Abb. 5 zeigt neben der gleichen Anordnung der Stau.stufenöffnungen
g1 noch eine andere Anordnung der Staustufe, indem diese in den Ringspalt g2 zwischen
dem tellerartig verbreiterten Rand t und der Gehäusebohrung verlegt ist. Das bei
u einströmende Treibmittel tritt zum Teil bereits vor der Staustufe durch ebenfalls
am Umfange gleichmäßig verteilte öffnungen y aus dem Stufenkolben aus. Die Staustufe
g2 wird von zwei gegeneinander beweglichen Ringflächen gebildet, welche sich von
Verunreinigungen während der Steuerbewegungen leicht befreien können.