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Schnellaufende Gleichstromdampfmaschine Es ist üblich, den Kolben
von schnellaufenden Gleichstromdampfmaschinen gleichsam in zwei in Längsrichtung
unmittelbar verbundene Teile zu zerlegen, die verschiedene Aufgaben zu erfüllen
haben, nämlich in einen von Dampf beaufschlagten Arbeitskolben, der die Energie
des sich entspannenden Dampfes überträgt, und in einen Führungskolben, der die AufgabendesKreuzkopfes
übernimmt. Eine solche Anordnung bietet mancherlei Vorteile. Einmal können die Arbeitskolben
leichtestmöglich ausgeführt werden, so daß ihr Gewicht zusammen mit dem. der Führungskolben
nur unwesentlich größer ist als das der für schnelllaufendeDampfmaschinen häufig
angewandten Tauchkolben. Zum anderen werden durch die Führung des Arbeitskolbens
mittels des Führungskolbens von der Zylinderlaufbüchse schädliche, von der Pleuelstange
übertragene Normalkräfte ferngehalten, so daß für sie Werkstoffe mit geringerer
Festigkeit, dafür aber mit Schmiereigenschaften verwandt werden
können.
Schließlich ist bei solchen Ausführungen eine in gewissen Fällen genügende Trennung
von Dampf und Öl durchzuführen, so daß das Kondensat ölarm bleibt und das Schmieröl
nur geringe Spuren von Niederschlagswasser aufweist. Der Abdampf kann somit anderen
Zwecken zugeführt werden, ohne daß eine Zwischenschaltung verwickelter Ölabscheidungsvorgänge
nötig ist.
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Aus Raumersparnisgründen ist es erwünscht, die Dampfmaschine möglichst
gedrängt auszuführen, d. h. ihre Ausdehnung in axialer Richtung möglichst klein
zu halten. Wenn, wie bei bekannten Ausführungen, der Arbeitskolben durch eine sich
in axialer Richtung anschließende Kolbenstange mit dem Führungskolben bzw. mit einer
Kreuzkopfführung verbunden ist, muß mit einem wesentlich größeren Raumbedarf gegenüber
der lediglich mit Tauchkolben arbeitenden Maschine gerechnet werden. Bei den obenerwähnten
bekannten Ausführungen ist daher der Führungskolben unmittelbar mit dem Arbeitskolben
verbunden. Aber auch hier muß noch mit einer verhältnismäßig großen Baulänge gerechnet
«-erden. Außerdem ist die Gefahr vorhanden, daß durch das natürliche Spiel des Führungskolbens
der Arbeitskolben um so mehr einer Kippung ausgesetzt ist, je höher seine Kolbenoberkante
über dem geführten Teil liegt. Deshalb sieht eine andere bekannte Ausführung vor,
daß die am Zylinderboden befestigte Gleitbahn in den als Tauchkolben ausgebildeten
Führungskolben hineinragt und der Führungskolben mit dem Boden des Arbeitskolbens
verbunden ist. Auf diese Weise läßt sich eine gedrängte Bauweise erzielen. die nur
wenig mehr Raum als eine Maschine mit Tauchkolben beansprucht, die Vorrichtungen
zur Trennung von Dampf und Öl besitzt. Ein den tatsächlichen Verhältnissen Rechnung
tragender Vergleich beider Kolbenbauarten ist nur unter Berücksichtigung folgender
Gesichtspunkte möglich: Soll bei einem Tauchkolben eine Trennung zwischen Öl und
Dampf bzw. Niederschlagswasser durchgeführt werden, so ist eine Reihe von Abstreifringen
nötig, die das überschüssige Öl von der Zylinderwand wegnehmen, so daß auf ihr lediglich
ein dünner Ölfilm übrigbleibt. Es hat sich nun gezeigt, daß die Abstreifringe allein
nicht genügen, um das Kondensat im gewünschten Sinne ölfrei zu halten. Deshalb sind
bei einer bekannten Ausführung, in Bewegungsrichtung des beaufschlagten Kolbens
betrachtet, hinter den Auspuffschlitzen noch Öffnungen in der Zylinderwand vorgesehen,
die mit einem Unterdruckraum in Verbindung stehen, wodurch das überschüssige, von
den Abstreifringen geförderte Öl von der Zylinderwandung abgesaugt und damit ferngehalten
«-erden soll. Mit einer solchen Ausführung läßt sich zwar der Ölgehalt des Kondensats
auf ein 'Mindestmaß zurückführen, eine vollkommene Trennung ist aber mit diesen
Mitteln noch nicht erreicht worden. Die Wirkungsweise einer solchen Maschine mit
Trennung von Dampf und- Wasser bleibt zudem abhängig von der den Unterdruck bewirkenden
Vorrichtung, mit deren Versagen eine Verbindung voll«'asser und Öl eintritt.
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Um die geschilderten Nachteile zu vermeiden, beschreitet die Erfindung
einen anderen Weg, indem sie die Dampfräume von den ölführenden Räumen völlig trennt
und den Arbeitskolben überhaupt ölfrei laufen läßt. Diese Gedankengänge sind bereits
verwirklicht in den oben angeführten Maschinen mit Kohlebüchsen, jedoch ist bislang
die Entwicklung über Versuche noch nicht hinausgeschritten, da die Auswahl der geeigneten,
bei hoher Temperatur des Heißdampfes aufeinander gleitenden Werkstoffe noch Schwierigkeiten
bietet. Deshalb sieht die Erfindung zwischen Arbeitskolben und Zylinderwand die
Zwischenschaltung einer Labyrinthdichtung vor, in welcher der höher gespannte Dampf
durch viele hintereinandergeschaltete Verengungen auf niederen Druck abgedrosselt
wird und die erreichten Dampfgeschwindigkeiten in den Labyrinthräumen durch Wirbelung
gänzlich vernichtet werden. Es wird bei einer solchen Abdichtung, ähnlich wie im
Dampfturbinenbau, von vornherein mit einer bestimmten Leckdampfmenge gerechnet,
die dem Dampfverbrauch zugeschlagen «erden muß. Diese Leckdampfmenge kann jedoch
durch geeignete Labyrinthausbildung kleinstmöglich gehalten «-erden, und zum anderen
wird noch der Vorteil einer schmierungsfreien Kolbenführung gewonnen.
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Die Anwendung von Labyrinthdichtungen zwischen Kolben und Zvlinderwand
ist an sich bekannt. Jedoch sind bei den vorgeschlagenen Ausführungen lediglich
Kolbenmantel und Zylindermantel mit Laby rinthnuten versehen: die Zahl der Labvrinthkammern
ist somit in Abhängigkeit vom Kolbenhub eine begrenzte. Da die das Labyrinth verlassende
Leck-dampfmenge mit wachsender Nutenzahl kleiner wird, sieht die Erfindung gleichsam
eine Hintereinanderschaltung mehrerer Labyrinthe vor, wodurch die Leckdampfmenge
ein Mindestmaß erreicht. Diese Hintereinanderschaltung wird erfindungsgemäß dadurch
erzielt, daß in dem Boden des als Tauchkolben ausgebildeten Arbeitskolbens um den
Führungskolben gleichmittig angeordnete. mit parallel zum Kolbenboden verlaufenden
Ringstegen versehene Labyrinthbucltsen angebracht sind, die entlang entsprechender
feststehender,
mit dem Gehäuse verbundener, gleichfalls Ringstege
aufweisender Labyrinthbuchsen mit geringstmöglichem Spiel gleiten. Die so entstehenden
Nuten können beliebige Querschnittsformen besitzen, die sich nach den gegebenen
Dampfverhältnissen richten und vor allem nach der Tatsache, daß infolge des Gegeneinanderlaufs
der Labyrinthbuchsen mit wachsendem Hub des belasteten Kolbens die Nutenzahl zunimmt.
Die Labyrinthnuten müssen jedenfalls so groß sein, daß die erreichten Dampfgeschwindigkeiten
durch Wirbelung völlig vernichtet werden.
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Um gleiche Ausdehnungsverhältnisse zu schaffen, ist es zweckmäßig,
wenn die Labyrinthbuchsen aus gleichem Werkstoff bestehen. Deshalb sieht die Erfindung
vor, in üblicher Weise die äußeren Labyrinthnuten nicht aus der Zylinderwandung
auszustechen, vielmehr in den Zylinder eine Labyrinthbuchse einzusetzen. Damit zwischen
Zylinder und Labyrinthbuchse ein den Wärmeübergang hemmender Stau geschaffen wird,
liegt die äußere La,byrinthbuchse lediglich mit Ringbünden am Zylinder an. Diese
Maßnahme verbürgt gemeinsam mit den eben geschilderten die beabsichtigte Wirkung.
Die sich gegenüberliegenden Flächen von Labyrinthbuchse und Zylinder sind zweckmäßig
hochglanzpoliert, um eine große Wärmestrahlung zu vermeiden. Schließlich ist erfindungsgemäß
noch vorgesehen, die Labyrinthringe aus keramischen Werkstoffen herzustellen, um
ihre kleinen Wärmedehnzahlen auszunutzen und mit kleinen Labyrinthspalten auskommen
zu können.
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Der aus dem Labyrinthsystem austretende Leckdampf wird durch Bohrungen
im Zylinder ins Freie bzw. in den Kondensator geführt. Er kann zuvor in den den
Zylinder umgebenden Hohlräumen zur Aufheizung geführt sein. Die Abführung des Dampfes
wird durch die Bewegung des beaufschlagten Kolbens begünstigt, andererseits kann
bei der Rückwärtsbewegung des unbelasteten Kolbens in den Labyrinthräumen ein Unterdruck
entstehen, weshalb in den Leckdampfleitungen federbelastete Schnüffelventile vorgesehen
sind. Bei mehrzylindrischen Maschinen ist auch eine Verbindung der Leckdampfräume
untereinander möglich, die einen Druckausgleich in den verschiedenen Labyrinthräumen
in Abhängigkeit von den verschiedenen Stellungen der einzelnen Kolben gestattet.
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Der Führungskolben wird in der in den Arbeitskolben ragenden Gleitbahn
bewegt, die nach innen spannende, mit Bohrungen versehene Abstreifringe besitzt,
deren äußeren Mantelflächen Bohrungen in der Gleitbahn gegenüberliegen, die mit
zum Kurbelwellenraum führenden Kanälen verbunden sind, durch die das überschüssige
Öl abfließen kann. Schließlich ist noch an der dem Arbeitskolben zugekehrten Stirnfläche
der Gleitbahn eine Ölsammelmulde vorgesehen, die gleichfalls mit dem Kurbelwellenraum
in Verbindung steht.
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Die Abbildung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt
einer Gleichstromdampfmaschine.
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Mit i ist der Zylinder bezeichnet, der vom Zylinderdeckel z abgeschlossen
wird. In dem Zylinder i gleitet der Arbeitskolben 3, dessen Boden mit dem als Tauchkolben
ausgebildeten Führungskolben q. verbunden ist, der den Kolbenbolzen 5 zur Aufnahme
der Pleuelstange 6 trägt. Der Führungskolben q. gleitet in der Gleitbahn 7, die
mit dem Rahmen 8 und dem Zylinder i verbunden ist. Die Gleitbahn besitzt Nuten,
in denen nach innen spannende Abstreifringe 9 eingelegt sind. In der Zeichnung nicht
dargestellte Bohrungen der Abstreifringe 9 stehen mit Bohrungen io in Verbindung
und münden in einen Kanal i i der Gleitbahn 7, in dem das Öl in den Kurbelwellenraum
zurückfließen kann. An der Stirnfläche der Gleitbahn 7 ist in bekannter Weise eine
mit dem Kurbelwellenraum in Verbindung stehende Ölmulde 21 angeordnet.
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In den Zylinder i ist eine Labyrinthbuchse 12 derart eingesetzt, daß
sie an ihr lediglich mit Ringbunden 13 anliegt. Die sich gegenüberliegenden inneren
Flächen der Labyrinthbuchse 12 und des Zylinders i sind so gearbeitet, daß sie einen
möglichst kleinen Rauhigkeitsgrad besitzen. Der Abdampf kann durch die Auspuffschlitze
14 entweichen.
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Am Boden des Arbeitskolbens 3 sind Labyrinthbuchsen 15 befestigt
mit die Labyrinthwirkung hervorrufenden Ringstegen 16. Ihnen gegenüber befinden
sich feststehende, mit dem Gehäuse verbundene Labyrinthbuchsen 17, die ebenfalls
Ringstege 18 aufweisen. Der innerste Raum der mit Hilfe der Labyrinthbuchsen gebildeten
Kammern ist durch eine Leckdampfleitung ig mit der Außenluft bzw. dem Kondensator
verbunden. Der Dampf, der bei 20 zuströmt, beaufschlagt den Arbeitskolben und entweicht
durch die Auspuffschlitze 1q.. Ein Teil des Dampfes strömt durch das Labyrinthsystem,
wobei er infolge der gegenseitigen Bewegung der Labyrinthnuten eine nachhaltige
Durchwirbelung erfährt. Um einen Austritt des Labyrinthleckdampfes beim Hub des
belasteten Kolbens durch die Auspuffschlitze zu vermeiden, sind diese zweckmäßig
zu steuern. Die Größe der Leckdampfmenge ist außer von der Zahl der Labyrinthnuten
abhängig vom Druck. Sie verringert sich mit abnehmendem Druck und mit wachsendem
spezifischem Volumen. Da die Gleichstromdampfmaschine nur über eine kurze Strecke
des Hubes mit hohem Eintrittsdruck
arbeitet, ist die durch die Labyrinthe
entweichende Leckdampfmenge gering.