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Lagerung liegender Kolbensätze mit wenigstens zwei Kolben bei Kraft-
oder Arbeitsmaschinen Bei Kraft- oder Arbeitsmaschinen kann oft auf die liegende
Anordnung aus baulichen Gründen nicht verzichtet werden. Häufig hat sie auch gegenüber
der stehenden Vorzüge, , wie z. B. bei einer Wasserpumpe, die dann bei Frost vollständig
entwässert werden kat»i. Bei solchen liegenden Kraft-und Arbeitsmaschinen werden
Kolbensätze verwendet, die aus einer Kolbenstange und darauf befestigten Kolben
bestehen. Durch diese mindestens zwei oder mehr Kolben wird entweder das Arbeitsspiel
der Maschine gesteuert oder selbst ausgeführt, so daß auf den Kolbenstirnseiten
gleichbleibende oder wechselnd hohe Drücke herrschen.
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In der Bauart der Kolbensätze kann inan grundsätzlich zwei unterscheiden.
Bei der ersten ist die Kolbenstange mit ihren Kolben in zwei oder mehr Traglagern
abgestützt (wohei je nach den Druckverhältnissen zur Abdichtung der Kolbenstange
gegebenenfalls noch Stopfbüchsen eingefügt sind, so daß das Traglager als Stopfbüchse
mit beschränkter Abdichtung ausgebildet ist). Bei der zweiten Bauart liegen die
Kolben mit ihren Dichtungsringen auf der Zylinderwandung oder einer in den Zylinder
eingesetzten Zylinderbüchse auf. Bei Kolhensä tzen der ersten Bauart ist nach gewisser
Laufzeit mit dem Verschleiß in den Traglagern und später in den Zylinder- oder Laufbuchsenwandungen
zu rechnen. Beider zweiten Bauart setzt der Verschleiß an der Wandung sofort ein.
Außerdem tretenUndichtigkeiten und infolgedessen schlechte Liefergrade der Maschine
ein.
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Die Erfindung strebt an, die Kolbensätze möglichst ohne baulichen
Mehraufwand von ihren Eigengewichten wenigstens beim Arbeitsprozeß zu
entlasten,
so daß der Verschleiß bei der liegenden Ausführung nicht größer als bei der stehenden
Anordnung ist. Der Lösungsgedanke beruht im wesentlichen darauf, daß ein gasförmiges
oder flüssiges Druckmittel: im folgenden kurz als Druckflüssigkeit bezeichnet, dazu
benutzt wird, auf den Kolbensatz eine :'Auftriebskraft hervorzurufen, die etwa gleich
dein Eigengewicht des Kolbensatzes ist oder "wenigstens einen beträchtlichen Teil
davon ausmacht. Dabei kann die Druckflüssigkeit entweder von außerhalb, zugeführt
sein, oder das Treib- bzw. Arbeitsmittel der -Maschine selbst kann als Druckflüssigkeit
verwendet werden. Erfindungsgemäß wird die Auftriebskraft in erster Linie dadurch
hervorgerufen, daß mindestens eine der Stirnflächen, die den unter der Druckflüssigkeit
stehenden Arbeitsraum eines Kolbens begrenzen, derart schräg angeordnet ist, daß
die Druckflüssigkeit auf der unteren Hälfte des Kolbensatzes auf eine Fläche wirken
kann, der keine entsprechende Fläche auf der oberen Hälfte des Kolbensatzes gegenüberliegt
(Ü1)erscllußfläclle). Die Überschußfläche kann mit besonders einfachen Mitteln dadurch
geschaffen werden, daß wenigstens der Kolbenring, der dem unter der Druckflüssigkeit
stehenden Raum zunächstliegt, zum Druckraum hin geneigt im Kolben angeordnet wird.
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Bei der praktischen Durchführung wählt man zweckmäßig solche Kolbenseiten,
die innerhalb des Arbeitsspieles möglichst unveränderlichen Druck haben, damit die
Entlastung über den ganzen Hub erzielt wird. Dabei hat eine Kolbenseite, die hierbei
hohem Druck ausgesetzt ist, den Vorteil, daß die Schrsigstellung des oder der Kolbenringe
gering w i rd.
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Auf der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes
der Erfindung im mittleren Längsschnitt durch Abb. 1, 3 und 4 schaubildlich dargestellt.
Abb.2 veranschaulicht die Druckverhältnisse bei einem größeren, dem linken Kolben
der Abb. i entsprechenden Kolben.
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Das erste Beispiel (Abb. i) zeigt einen Kolbensatz für die Schiebersteuerung
der Dampfmaschine einer Lokomotive mit festen Steuerungskolben. Im Schieberkasten
i der nicht dargestellten Dampfmaschine ist eine auswechselbare Schieberbüchse 2
befestigt, in der sich der Kolbensatz hin und her bewegt, der aus zwei fest auf
der Schieberstange 3 sitzenden Kolben 4 und 5 besteht. Die Einströmöffnung für den
Frischdampf ist mit 6 bezeichnet. 7 und 8 sind Dampfausströmkästen, die an den Stirnenden
des Schieberkastens i angeflanscht sind. g und io sind Dampfein- bzw. -ausströmkanäle
des nicht dargestellten Arbeitszylinders der Dampfmaschine Beim Arbeitsprozeß herrscht
also in dem durch die einander zugewandten Stirnflächen der Kolben4 und 5 begrenzten
Raum i i der Frischdampfdruck, während das Innere der Ausströmkästen 7 und 8 unter
dem geringen Überdruck des Auspuffdampfes steht. Gemäß der Erfindung sind die einander
zu-' gewandten Stirnflächen 12 und 13 der Kolbenringe 14 und 15 gegen den unter
hohem Druck stehenden Arbeitsraum i r hin geneigt in den Kolben 4 und 5 gelagert.
Die Verlängerungen der Stirnflächen 12 und 13 schneiden sich also oberhalb des Kolbensatzes
3, 4, 5. Durch diese Anordnung der Kolbenringe 14 und 15 wird auf der unteren Hälfte
jeder der dem Druckraum i i zugewandten Mantelflächen der Kolben 4 und 5-:..eine
Fläche 16 gebildet (s. Abb.2), der keine en'"tsprechende Fläche auf der oberen Hälfte
gegenüberliegt .`(Überschußfläche). Die auf die Überschußfläch@ 3( 'beider Kolben
4 und 5 wirkende Druckflüssigkeit ruft eine nach oben gerichtete Kraft (Auftriebskraft)-
auf den Kolbensatz 3, 4, 5 hervor. Eine gleich- große Überschußfläche 16 wird infolge
der Schrägste]lnng der Kolbenringe 14 und i .q auf der oberen Hälfte der Mantelfläche
jedes Kolbens 4 und 5 auf der `den Ausströmkästen 7 und 8 zugewandten Seite gebildet.
Da in den Ausströmkästen 7 und 8 nur der geringe Auspuffdruck herrscht (z. B. i,i
ata), bewirkt der auf diese Überschußfläche 16 wirkende Auspuffdruck eine sehr kleine,
nach unten gerichtete Kraft, die praktisch vernachlässigt werden kann. Als resultierende
Auftriebskraft bleibt somit lediglich die Auftriebskraft übrig, die durch die einander
zugewandten Überschußflächen 16 der Kolben 4, 5 verursacht wird. Die Größe der überschußfläche
16 und damit der Auftriebskraft ist verhältnisgleich der Neigung der Stirnflächen
12, 13 der Kolbenringe 14, 15 und der Druckhöhe der Druckflüssigkeit.
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Es ist nicht erforderlich, daß sämtliche Kolbenringe 14 und 15 geneigt
angeordnet werden. Es genügt, wenn das bei dem ersten bzw, dem ersten und zweiten
Kolbenring geschieht, der dem Druckraum i i zunächstliegt.
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Das zweite Beispiel (Abb. 3) unterscheidet sich von dem ersten lediglich
dadurch, daß ein sog. Druckausgleichkolbenschieber verwendet wird, der einen auf
der Kolbenstange 3 festen Kolbenteil 17, 18 und einen diesem gegenüber verschiebbaren,
dem Druckraum i i zugewandten Kolbenteil 1g, 2o hat. Die Kolbenteile 19,
20 werden beim Leerlauf durch eine nicht dargestellte Feder vom festen Kolbenteil
17, 18 weggedrückt. Dieser Betriebsfall wird durch die linke Hälfte der Abb. 3 veranschaulicht.
Während des Betriebes drückt der Frischdampfdruck den verschiebbaren Kolbenteil
1g, 2o auf den festen Kolbenteil 17, 18, so daß beide Kolbenteile dann wie ein Stück
wirken. Diese Verhältnisse veranschaulicht der rechte Teil der Abb. 3. Auch hier
ist es möglich, die im festen Kolbenteil 17, 18 sitzenden Kolbenringe senkrecht
zur Längsachse anzuordnen und nur die auf dem verschiebbaren Kolbenteil
19, 20 sitzenden Kolbenringe 14, 15 erfindungsgemäß geneigt anzuordnen.
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Das dritte Beispiel (Abb.4) zeigt die Anwendung der Erfindung auf
einen liegenden Kolbensatz mit drei Kolben bei einer zweistufigen Mischvorwärmerpumpe.
Bei diesem Beispiel ist die Erfindung also auf die als Differentialkolben ausgebildeten
Arbeitskolben einer vorgewärmtes Speisewasser fördernden Pumpe angewendet.
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In einem Gehäuse 21 ist ein Kolbensatz verschiebbar
angeordnet,
der aus drei fest auf einer Kolbenstange 22 sitzenden Kolben 23, 24, 25 besteht.
Auf der Verlängerung der Stange 22 sitzt der nicht dargestellte Kolben der die Pumpe
unmittelbar antreibenden Dampfmaschine. Die Kolben 23 und 25 sind gleich groß, ihre
Druckfläche ist doppelt so groß wie diejenige des mittleren Kolbens 24. Die Zylinder
der Kolben 23, 25 enthalten auf ihren zugewandten Enden Überströmkanäle 26, 27,
die zu ihren durch Druck\-etitile 28, 29 abgesperrten Druckleitungen 30, 31 führen.
Die Zylinder sind nach den Saugleitungen 32, 33 hin gleichfalls durch Saugventile
34, 35 abgesperrt.
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Die zur N iederdruckstufe der Pumpe führende Saugleitung 33 kommt
vom nicht dargestellten Niederdruckvorwärmer, der unter Atmosphärendruck steht.
Die Druckleitung 31 der Niederdruckstufe führt zum gleichfalls nicht dargestellten
Hochdruckvorwärmer, dessen Druck zwischen 1 bis 2 atü beträgt. Die Saugleitung 32
der Hochdruckstufe kommt vom Hochdruckvorwärmer, und die Druckleitung
30 der Hochdruckstufe führt zum nicht dargestellten Kesselspeiseventil.
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Wenn sich der Kolbensatz 22 bis 25 aus der rechten Totlage in die
linke bewegt, wird von der rechten Seite des N iederdruckkolbens 25 Wasser angesaugt,
während gleichzeitig die linke Seite des Niederdruckkolbens 25 die vom vorhergegangenen
Hub zurückgebliebene halbe Menge über die Leitung 31 dem Hochdruckvorwärmer zuführt.
Bei der gleichen Bewegung des Kolbensatzes 22 bis 25 drückt die linke Seite des
Hochdruckkolbens 23 die halbe Wassermenge in die Druckleitung 30, während die andere
Hälfte über den Kanal 26 zur rechten Seite des Hochdruckkolbens 23 fließt. Beim
entgegengesetzten Hub des Kolbensatzes 22 bis 25 von links nach rechts saugt die
linke Seite des Hochdruckkolbens 23 die gesamte Wassermenge über die Leitung 32
aus dem Hochdruckvorwärmer, während die rechte Seite des Hochdruckkolbens 23 die
zweite Hälfte über die Leitung 30 in den Kessel drückt. Gleichzeitig drückt
die rechte Seite des Niederdruckkolbens 25 die halbe Menge über die Leitung 31 in
den Hochdruckvorwärmer, während die zweite Hälfte über den Ü berströmkanal 27 vor
die linke Seite des Niederdruckkolbens 25 gefördert wird.
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Die Kolbenringe 36 des Hochdruckkolbens 23 und die Kolbenringe 37
des Niederdruckkolbens 25 stehen, wie üblich, senkrecht zur Achse der Stange 22,
während die Stirnflächen der Kolbenringe 39 des mittleren Kolbens 24 gegen den zwischen
diesem und dem Hochdruckkolben 23 liegenden Druckraum 40 hin geneigt sind. Demgemäß
sind die Stirnflächen 38 der Kolbenringe 39 von dem zwischen dem mittleren
Kolben 24 und dem Niederdruckkolben 25 befindlichen Raum 41 weg geneigt. Auf der
unteren Hälfte des dem Hochdruckraum 40 zugewandten Teiles des Mantels des mittleren
Kolbens 24 entsteht dann eine Überschußfläche 16, auf die der hohe Druck im Raum
40 wirkt, der den Kolbensatz nach oben druckt. Auf die Cberschußfläche 16 der oberen
Hälfte des dem N iederdruckraum 41 zugewandten Mantelteiles des mittleren Kolbens
24 wirkt der niedrige Druck des Raumes 41, der den Kolbensatz 22 bis 25 geringfügig
nach unten zu drücken sucht. Der resultierende Druck ist gleich dem Druckunterschied
in den Räumen 40 und 41 multipliziert mit der Überschußfläche 16; er ist nach oben
gerichtet und gleich dem Gewicht des Kolbensatzes 22 bis 25.
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Wird der dem Niederdruckraum 41 zunächstliegende Kolbenring 39 senkrecht
zur Achse der Stange 22 angeordnet, fällt die obere Überschußfläche 16 weg, so daß
nur noch die auf der unteren Hälfte der linken Seite des Kolbens 24 vorhandene Überschußfläche
bleibt.