DE74960C - Kraftmaschine mit kreisenden, abwechselnd angetriebenen Kolben - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAM

KLASSE 14: Dampfmaschinen.

Die bisher bekannten Maschinen mit kreisenden, abwechselnd angetriebenen Kolben haben meistens als Pumpmaschinen Verwendung gefunden. Dieselben als Arbeit liefernde Maschinen, als Dampfmaschinen, zu verwenden, scheiterte an der Unvollkommenheit des die beiden Kolben der Maschine steuernden Lenkersystems, welches erstere derart bewegte, dafs sie mit zu geringem Geschwindigkeitsunterschied hinter einander hereilten.

Mit letzterem Umstand der geringen Geschwindigkeitsdifferenz beider Kolben war die Nothwendigkeit untrennbar verbunden, die Ein- und Austrittskanäle für den Arbeitscylinder sehr weif aus einander zu legen, was zu praktischen Schwierigkeiten führte, sobald dieselben als Dampf-Ein- und Austrittskanäle verwendet und der in sie ein- und austretende Dampf gesteuert und regulirt werden sollte.

Zu Vorstehendem gesellt sich noch der Nachtheil, dafs bei allen bisher bekannten Maschinen in Rede stehender Gattung das die Bewegung der Kolben übermittelnde Lenkersystem so eingerichtet war, dafs einer Umdrehung der Kolben auch stets nur eine Umdrehung der Arbeitswelle entsprach.

Besonders letzterer Umstand bedingte bei diesen Maschinen einen Dampfverbrauch, der dieselben als Arbeitsmaschinen zu verwenden zur Unmöglichkeit machte.

Alle diese Nachtheile werden beseitigt, wenn man diese Maschinen mit zwei abwechselnd wirkenden Kolben in folgender Weise construirt:

Wie bekannt, besteht jede Maschine des zu besprechenden Systems aus einem Cylinder A, Fig. i, der mit den Ein- und Ausströmungs- · Öffnungen d und f versehen ist. Auf der durch die Cylinderachse gehenden Welle sind die beiden sectorförmigen Kolben B und C befestigt, die sich hinter einander mit veränderlicher Geschwindigkeit so bewegen, dafs sie sich über der Eintrittsöffnung d (bezw. Saugöffnung) von einander entfernen und über der Austrittsöffnung/ (bezw. Drucköffnung) einander nähern.

Gelingt es nun, die Maschine so zu bauen, dafs d und f, welche bei den bekannten Maschinen ca. um Y₃ des Cylinderumfanges aus einander liegen, in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise nahe an einander gelangen, und die Verhältnisse der Lenkertheile des Lenkersystems so einzurichten, dafs z. B. Kolben B sich von c nach α bewegt, während Kolben C den Weg abc zurücklegt, und umgekehrt, so wird, sobald man den Cylinder als Arbeitscylinder einer Dampfmaschine benutzt, der Dampf-Ein- und Austritt durch diese Kolben selbst ohne jede anderen Mechanismen vollkommen gesteuert. Ferner ist es dann möglich, in ebenso einfacher als wirksamer Weise sowohl den Füllungsgrad oder die Arbeitsleistung der Maschine, als auch den Umlaufssinn derselben dadurch zu verändern, dafs man den Arbeitscylinder in später zu beschreibender Weise um seine Achse dreht.

Die oben als erwünscht bezeichnete Bewegung der beiden Kolben, die in bekannter Weise auf zwei concentrischen Wellen befestigt sind, die je eine fest verbundene Kurbel ob und oc, Fig. 2, tragen, welche Kurbeln mittelst ihrer bezw. Zapfen b und c und der Stangen ba und ca an den Krummzapfen a

der Kurbel r auf der Arbeitswelle O₁ greifen, wird nun erreicht, sobald man ob = oc = ba = ca = R und 0 O₁ = O₁ a = r macht. Eine mit einem derartig bemessenen Lenkersystem versehene Maschine hat nach Angabe des Erfinders noch folgende Vortheile gegenüber den bisher gebräuchlichen:

1. Das Vorhandensein nur eines todten Punktes.

Aehnliche Resultate würde man erhalten, wenn man die beiden Kurbeln der Kolben ungleich lang wählen würde, wie in Fig. 3 angedeutet ist; es hat sich jedoch erwiesen, dafs eine so construirte Maschine viele Nachtheile gegenüber der zuerst beschriebenen besitzt.

2. Einer einmaligen Umdrehung eines der Cylinderkolben entspricht eine zweimalige Umdrehung der Arbeitskurbel, was sich ergiebt, wenn man den von den Kolben durchlaufenen Weg δ in Theilen des bei einer ganzen Umdrehung der Arbeitswelle durchlaufenen Weges ausdrückt. Es berechnet sich dann die Gröfse des Kolbenweges d für eine beliebige Drehung der Arbeitswelle aus der Gleichung:

cos -^- = — cos (γ₀ '+ d {π — 2 γ₀) J

worin y₀ den Neigungswinkel der Kolben mit der Richtung O = O₁ für α = O bedeutet.

■Gleichfalls auf rechnerischem Wege, sowie auch durch Praxis sind noch die folgenden Vortheile erwiesen:

3. Die völlig gleichartige symmetrische Uebertragung der Kolbenarbeit auf die Arbeitskurbel bei jeder Stellung des Mechanismus und der hierdurch gewährleistete, völlig gleichmäfsige Gang der Maschine.

4. Die Möglichkeit, die Dampf-Ein- und Austrittskanäle am Cylinder so dicht neben einander zu legen, dafs eine Veränderung der Expansion, sowie die Umsteuerung der Maschine mittelst geringer, durch sefbstthätigen Regulator bewirkten Drehung' des Cylinders um seine Längsachse (wie weiter unten beschrieben) durchführbar ist.

Ein in angegebener Weise eingerichtetes Lenkersystem ist aber ohne Weiteres praktisch nicht anwendbar, um die angegebenen Vortheile zu erreichen.

Fällt nämlich der Kurbelzapfen α der Kurbel r der Arbeitswelle während seines Umlaufes in die Mittelachse des Dampfcylinders, wie in Fig. 4 gezeichnet, welche Stellung der einzigen Todtlage der Maschine entspricht, so kann der Fall eintreten, dafs das ganze System anfängt, um den Krummzapfen a als Mittelpunkt zu schwingen, so dafs die Maschine aufhört, Arbeit abzugeben.

Um diese Möglichkeit in sicherer Weise auszuschliefsen, dient folgende Anordnung:

Auf dem Kolben ob und oc befinden sich in der Entfernung ζ, Fig. 5, von den Zapfen b und c zwei kleinere Zapfen b_x und C₁, die sich abwechselnd in eine an der Kurbel der Arbeitswelle befestigte Führung einlegen und dann für kurze Zeit durch dieselbe festgehalten werden, sobald sie sich der durch O und O₁ (Mittelachsen der Antriebs- und Kolbenwelle) gelegten Ebene nähern (Fig. 4).

Die Gröfse ζ ergiebt sich aus der Berechnung und liegt dieselbe zwischen den Werthen

R — r und R ■ R 4- r

Die relative Bewegung der Hülfszapfen b_l und c, zu der erwähnten Führung, nach welcher sich die Form und Lage dieser Führung an der Kurbel· der Arbeitswelle bestimmt, hat die Form der in Fig. 6 schematisch dargestellten Curve. Es beschreibt jeder der beiden Hülfszapfen die ganze Curve während zweier Umdrehungen der Arbeitswelle, so dafs, während der eine Zapfen den Weg 1-2-3-4-5-6-7 durchläuft, der andere sich von 7 über 10-11-12 nach ι bewegt, worauf die Zapfen ihre Wege vertauschen.

Die an der Kurbel der Arbeitswelle angebrachte Führung dient dazu, diese Hülfszapfen im Punkt 4 festzuhalten. Da die Hülfszapfen, während die Kurbel der Arbeitswelle sich in der Nähe der Lage a = π, d. h. in der Nähe der durch die Mittelachsen O und O¹ der Arbeits- und Kolbenwelle gelegten Ebene oder der Todtpunktlage befindet, sich nur ganz wenig von Punkt 4 entfernen, so genügt es, wenn in Rede stehende Führung von der Form eines halbkreisförmigen Lagers ist, welches den Zapfen nur den nöthigen geringen Spielraum gewährt, und welches abwechselnd die beiden Hülfszapfen empfängt.

Aber noch ein Fall ist zu berücksichtigen, soll das Lenkersystem mit den wie beschrieben gewählten Verhältnissen praktisch anwendbar sein:

Berechnet man nämlich nach Fig. 2 die Kraft P, auf welche die Verbindungsstangen des Lenkersystems, sowie die Kraft P₁, auf welche die Kurbeln ob und oc beansprucht werden, sobald Winkel α = π wird, so ergeben sich für beide Beanspruchungen unendlich gröfse Werthe, d. h. sobald das Lenkersystem in die in Fig. 4 gezeichnete Todtlage gelangt, bei welcher der Steuerkolben durch seinen Hülfszapfen in dem halbkreisförmigen Lager der Arbeitswelle festgehalten wird, verliert der Arbeitskolben plötzlich seine Wirkung auf die Arbeitswelle und schwingt frei um seine Achse, bis er auf den Steuerkolben aufschlägt.

Ein solcher Fall darf natürlich nicht eintreten. Zur Vermeidung desselben ist an der

Kurbel ob, sowie der Verbindungsstange co je ein Bolzen d bezw. e in entsprechend gleicher Lage seitlich angebracht (Fig. 4 und 7), die durch den Lenker de mit einander verbunden sind. Berechnet man nunmehr die Beanspruchung P und P₁, so ergeben sich für dieselben in jeder Lage des Systems endliche Werthe, d. h. der Lenker de löst in der Todtlage den zum Steuerkolben gehörigen Hülfszapfen aus dem halbkreisförmigen Lager aus, überträgt dabei die Bewegung des Arbeitskolbens auf den Steuerkolben und bringt dadurch das ganze System wieder in die entsprechende Arbeitsstellung.

Alle diese eben beschriebenen Vorrichtungen:

a) die beiden Hülfszapfen b_x und C₁,

b) das halbkreisförmige Führungslager an der Kurbel der Arbeitswelle,

c) der Lenker de -

sind also unumgänglich nothwendig, soll ein solches Lenkersystem für Maschinen mit doppelt wirkenden Kolben mit den beschriebenen Verhältnissen praktisch anwendbar und somit mit jenen Maschinen die oben angeführten Vortheile (1. bis 4.) erreichbar sein.

In beiliegender Zeichnung ist die Anwendung der eben beschriebenen Steuerungen bei einer Dampfmaschine (Fig. 8 bis 11), sowie einer Pumpe (Fig. 12 bis 15) dargestellt.

Der Bewegungsmechanismus der Dampfmaschine sowohl als der Pumpe besteht aus zwei Kolben H und /, welche auf den concentrischen, aufserhalb des Cylinders mit den Kurbeln Z₁ und m, versehenen Wellen L und M befestigt sind. Die Kurbeln tragen die Zapfen Z₂ und Wi₂, welche mittelst der Stangen O und P an dem Zapfen C₄ der Kurbel C₁ der Arbeitswelle C angreifen. An der Kurbel Z₁ und der gegenüberliegenden Verbindungsstange P sind aufserdem die Zapfen Z₄ und ρ_λ angebracht, welche mittelst einer Lenkerstange Q mit einander verbunden sind. Auf der Arbeitswelle C ist ein Führungsstück C₆, Fig. 8 und 9, befestigt, welches die Aufgabe hat, in später zu beschreibender Weise die als seitliche Verlängerung der Zapfen Z₂ und m.₂ an letzteren angebrachten kleineren, excentrisch stehenden Zapfen Z₃ und m_s abwechselnd in einer bestimmten Lage festzuhalten. Die Masse der einzelnen sich bewegenden Theile ist so bestimmt, dafs sich der Mechanismus beständig im Gleichgewicht befindet. Die Dichtung der Kolben zwischen ihren Wellen und der Cylinderfläche wird vermittelst gut . eingepafster metallischer Streifen Zz₂ I₂ und Zj₃ z'₃ , Fig. 11, an ihren radial stehenden oberen Seiten hingegen durch genaues Aufschleifen erreicht. Der Cylinder ist mit zwei dicht neben einander liegenden OefFnungen α, und a₂ , das Gehäuse D hingegen mit drei Oeffnungen d₃ d_t und d₅ versehen, von denen die beiden äufseren mit dem Dampfableitungsrohr d₂, die mittlere mit dem Dampfzuleitungsrohr ^₁ in Verbindung steht. Der Dampfcylinder gestattet eine geringe Drehung um seine Achse, mittelst welcher der Füllungsgrad, sowie auch die Umlaufsrichtung der Maschine bestimmt wird.

Wird der Cylinder ζ. B. um so viel gedreht, dafs die Oeffnung a₂, die bisher mit Kanal d_i in Verbindung stand, nun über d₅ zu stehen kommt, während a_x über ^f₄ ■■ gelangt, so kehrt die Bewegungsrichtung der Maschine um, wobei die Art der Dampfvertheilung aber, bedingt durch die vollkommene Symmetrie der Maschine, dieselbe bleibt. Diese Drehung des Cylinders behufs Umsteuerung der Maschine wird vermittelst einer auf der Welle T, Fig. 11, sitzenden Schraube ohne Ende und des am Cylinder angebrachten Zahnbogensa₃, Fig. 9, durch Drehen der Handkurbel bewirkt.

Durch diese Drehung des Cylinders wird auch" der Füllungsgrad und demzufolge auch der Gang der Maschine bestimmt, sofern nämlich je nach der Gröfse und dem Sinne der Drehung die Kanäle a_} bezw. a₂ in eine solche Stellung gelangen, dafs sie von dem steuernden Kolben früher oder später gedeckt werden. Diese kleinen, den. Füllungsgrad bestimmenden Drehungen werden nun vom Regulator U, Fig. 8 und 9, bewirkt. Der Regulator trägt zu dem Zwecke zwei Scheiben M₄ und M₅, die sich mit ihm zugleich in Umdrehung befinden, und welche auf ihrer dem Zahnrad M₆ zugekehrten Fläche je eine Spirale, erhaben oder als Rille eingedreht, tragen. Diese Spiralen sind von entgegengesetztem Sinne, so dafs die eine vom Mittelpunkt ihrer Scheibe nach aufsen läuft, wenn die andere auf der ihrigen von aufsen nach innen läuft, bei gleichem Drehungssinne ihrer gemeinschaftlichen senkrechten Regulatorspindel. Je nach der Umlaufsgeschwindigkeit der Maschine wird nun durch den Regulator einmal die Spirale von M₅ oder M₄ in Eingriff mit dem Trieb M₆ gelangen und dadurch unter Vermittelung der Zahnräder £₄, Fig. 10, sowie t.₂ oder i₃ die Welle T, Fig. 11, und somit der Cylinder A hin- und hergedreht werden.

Soll die Umsteuerung der Maschine durch die Handkurbel ^₁ erfolgen, so wird der Regulator durch irgend eine Vorrichtung ausgeschaltet. Anstatt die eben beschriebenen Vorgänge durch eine Drehung des Cylinders zu erreichen, kann man auch umgekehrt verfahren, wie in Fig. 11 a angedeutet, indem man nämlich den Cylinder fest läfst und um seine Achse die Arbeitswelle O₁ kreisend anordnet.
. Zwischen dem Cylinder A und dem Gehäuse D ist ein freier Raum Y gelassen

(Fig. 11), welcher als Dampf hemd oder nur zur vorläufigen Erwärmung des Cylinders dient, zu welchem Zwecke die Kanäle y_sy_iy_iy§ zum Einlassen des Dampfes und Ablassen des condensirten Wassers vorgesehen sind. Der schädliche Raum ist Dank der Abwesenheit . eines besonderen Vertheilungsmechanismus, sowie von Dampf kanälen zwischen letzteren und dem Cylinder sehr klein, und zwar etwa 0,015 des Cylinderinhaltes. Bei den angegebenen Dimensionen läfst sich die Umdrehungsgeschwindigkeit ohne Gefahr bis zu 1200 Umdrehungen in der Minute steigern. Die Maschine ist mit dem Schmierapparat w, den Ablafshähnen χ, dem Schutzmantel | und anderen speciellen, aus den Figuren ersichtlichen und keine nähere Beschreibung er_r fordernden Vorrichtungen versehen. Bei der in Fig. 12 bis 15 dargestellten Pumpe ist der Cylinder unbeweglich angeordnet. Die beiden Ein- und Austrittsöffnungen α_λ und a₂ liegen symmetrisch zur senkrechten Achse des Cylinders. Um die beim Durchschreiten des todten Punktes entstehenden Stöfse zu vermeiden, besitzen die Oeffnungen a_x und a_% bis zu den Linien a₅ a₆ und a₇ a_a Erweiterungen, durch welche im betreffenden Moment eine directe Verbindung zwischen den Kanälen a._A und a_i entsteht und die Flüssigkeit infolge der Trägheit ohne Unterbrechung sich bewegen kann. Bei entsprechender Erweiterung der Oeffnungen kann das Verhältnifs ihrer Querschnittsfläche zur Kolbenfläche beinahe gleich der Einheit gemacht werden. Die beschriebene Construction findet Anwendung bei der Einrichtung von Wassermotoren, Wassermessern, Ventilatoren und Dampfmaschinen mit constantem Füllungsgrad und unveränderlicher Bewegungsrichtung; in letzterem Falle sind die Cylinderöffnungen unsymmetrisch anzuordnen; ihre Lage hängt von dem verlangten Füllungsgrad ab.

Claims (3)

Patent-Ansprüche:

1. Eine Kraftmaschine mit kreisenden, abwechselnd wirkenden Kolben, bei welcher die Kolbenkurbelzapfen (m₂ und I₂), Fig. 8, des die beiden Kolben (H und J) mit der Arbeitswelle (C) verbindenden" Lenkersystems excentrisch stehende Führungszapfen (ητ_Ά und I₅) besitzen, die sich abwechselnd jedesmal dann in ein an der Arbeitswelle angeordnetes halbrundes Lager (C₆) einlegen, wenn das Lenkersystem in seinen todten Punkt eintritt, und bei welcher die eine der Kolbenkurbeln (I¹) mit der Lenkerstange (P) der zweiten Kolbenkurbel (m¹) durch eine Stange (QJ verbunden ist, zum Zweck, im todten Punkt einerseits ein Freischwingen des ganzen Lenkersystems um die Drehachse der Kolben, andererseits ein Todtlaufen des Arbeitskolbens und dadurch ein Aufschlagen desselben auf den Steuerkolben zu verhindern.

2. Eine Kraftmaschine nach Anspruch 1. mit einem um seine Längsachse drehbaren Arbeitscylinder (A), welcher in einem mit Dampf-Ein- und Austrittskanälen (d₃d_id_h) versehenen Gehäuse (D), Fig. 11, angeordnet ist und in demselben so entweder selbstthätig vom Regulator der Maschine oder von Hand gedreht werden kann, dafs zur Erzielung einer veränderlichen Expansion bezw. der Umsteuerung der Maschine die Dampfeinströmungsöffnung des Cylinders von dem steuernden Kolben früher oder später abgeschlossen bezw. bei noch gröfserer, von Hand bewirkter Drehung zur Ausströmungsöffnung gemacht wird.

3. Eine Kraftmaschine nach Anspruch 1. und 2., bei welcher der Dampfcylinder (A) feststeht, während behufs Umsteuerung der Maschine oder Veränderung der Expansion die Arbeitswelle (C) um die Cylinderachse concentrisch einstellbar angeordnet ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen.