DE802296C - Kolbenlagerung bei liegenden Kraft- oder Arbeitsmaschinen, insbesondere bei doppelt wirkenden Dampfmaschinen von Lokomotiven - Google Patents

Description

• Kolbenlagerung bei liegenden Kraft- oder Arbeitsmaschinen, insbesondere bei doppelt wirkenden Dampfmaschinen von Lokomotiven

  Bei liegenden, doppelt wirkenden Kraft- und Ar-

  beitsmaschinen ist es bekannt, den Kolben in der

  Weise zu lagern, daß eine durchgehende Kolben-

  stange finit dem einen Ende im Kreuzkopf, mit dem

  anderen Ende in einem am vorderen Zylinderdeckel

  befestigten Traglager gehalten ist, wobei im vor-

  deren und hinteren Zylinderdeckel je eine Stopf-

  büchse notwendig ist. Der Kolben ist dadurch

  frei schwelend im Zylinder gelagert. Das Kolben-

  und Stangengewicht wird durch den Kreuzkopf und

  das vordere Traglager aufgenommen, die daher

  allein nennenswert abgenutzt werden.

  Bei einer anderen bekannten Bauweise ist der

  Kolben fliegend auf einer mir im Kreuzkopf ge-

  haltenen Kolbenstange gelagert, so daß sein Ge-

  wicht und der auf den Zylinder wirkende Anteil

  des Stangengewichtes auf dem unteren Teil der

  Zylinderwand ruhen, wobei nur eine Stopfbüchse

  im hinteren Zylinderdeckel notwendig ist. Dies

  Ausführung hat gegenüber der erstei-wiilinten den

  Vorteil, daß die vordere Kolbenstange mit einer

  Stopfbüchse, ferner das Traglager sowie das mit

  Spiel über das vordere Stangenende geführte Schutz-

  rohr wegfallen. Außerdem wird der vordere Zylin-

  derdeckel einfacher, die Schmierstelle für die vor-

  dere Kolbenstange fällt weg und die hin und her

  gehenden Massen sowie die Dampfverluste werden

  kleiner. Diese Bauweise hat allerdings den schwer-

  wiegenden Nachteil, daß der Kolben die untere

  Zylinderwand bzw. die in den Zylinder eingesetzte

  Büchse nicht unerheblich abnutzt. Der Zylinder

  muß daher früher ausgebohrt sowie der Kolben

  früher bandagiert werden; die Lebensdauer des

  Zylinders bzw. der Laufbuchse wird dadurch viel

  kleiner.

  Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

  Anordnung zu treffen, die den Grad der Abnutzung der dem Verschleiß ausgesetzten Teile der Kolbenlagerung auf ein Mindestmaß beschränkt. Die Erfindung löst die Aufgabe in erster Linie dadurch, daß das Gewicht des Kolbens und der Kolbenstange, soweit es vom Zylinder und/ oder den Lagern der Stange aufgenommen wird, beim Arbeitsprozeß mindestens zu einem wesentlichen Teil durch eine Auftriebskraft aufgehoben ist, die durch eine auf den Kolben wirkende (tropfbare oder gasförmige) Druckflüssigkeit erzeugt wird. Mit anderen Worten: Die auf den Kolben wirkenden vertikalen Komponenten des oder der gasförmigen oder flüssigen Medien, in denen der Kolben sich bewegt, müssen eine nach oben gerichtete Resultierende ergeben, die wenigstens einen wesentlichen Teil des Gewichtes des Kolbens und der Stange aufhebt.
• Bei Anordnungen mit durchgehender Kolbenstange braucht dann das vordere Traglager, das bisher auswechselbar angeordnet und in drei um 12o° gegeneinander versetzte Stellungen eingestellt werden konnte, nicht mehr so häufig nachgearbeitet zu werden. Auf die auswechselbare Anordnung kann darüber hinaus verzichtet werden, was eine Vereinfachung der Konstruktion zur Folge hat. Die durch die Erfindung erzielten Vorteile sind bei Kolbenlagerungen mit fliegend angeordneten Kolben noch wertvoller, weil die Abnutzung der unteren Zylinderwand bzw. der Laufbüchse praktisch beseitigt ist.
• Als Druckflüssigkeit, die die Auftriebskraft erzeugt, kann das Treibmittel der Kraftmaschine, also z. B. der Arbeitsdampf bei Dampfmaschinen, oder das Arbeitsmittel der Arbeitsmaschine, nämlich beispielsweise die Druckflüssigkeit von Wasserpumpen, dienen. Die die Auftriebskraft erzeugende Druckflüssigkeit kann aber auch von außen zugeführt sein und z. B. bei Dampfmaschinen in Druckluft bestehen, die durch eine im Innern der Kolbenstange und des Kolbens befindliche Leitung oder durch eine durch den Zylindermantel gehende Leitung zugeführt wird, oder in Dampf verringerter Spannung, der in entsprechender Weise zugeführt wird. Eine konstruktiv besonders zweckmäßige Lösung besteht darin, daß von zwei Dichtungsringen, zwischen denen ein nach innen durch den Mantel des Kolbens und nach außen durch die Lauffläche des Zylinders begrenzter Ringraum gebildet wird, der beim Arbeitsprozeß unter der Wirkung des vollen Druckes der Druckflüssigkeit steht, wenigstens ein Ring so gegen die Längsmittelachse des Kolbens geneigt ist, daß sich die Verlängerungen der einander zugewandten Stirnflächen der beiden Dichtungsringe oberhalb des Kolbens schneiden. Bei ausgeführten Anlagen von Kolbendampfmaschinen für Lokomotiven genügt eine Neigung der Dichtungsringe von nur etwa i bis 3 °/u. Bei gewöhnlichen Kolben mit einem Durchmesser von 6oo mm braucht also der Dichtungsring an der Unterseite nur 2 mm gegenüber der Oberseite nach dem Kolbenende hin versetzt zu werden.
• Auf derZeichnung sind drei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung, die sämtlich die fliegende Lagerung des Kolbens der Dampfmaschine einer Lokomotive zum Gegenstand haben, durch Fig. 1, 3 und 4 schaubildlich dargestellt. Fig.2 veranschaulicht die Druckverhältnisse des ersten Beispiels bei der in Fig. i dargestellten Kurbelseitentotlage.
• Fest auf der Kolbenstange i sitzt der Kolben, dessen Teile 2, 3 und 4 infolge der Anordnung von zwei Dichtungsringen 5 und 6 beim Arbeitsprozeß unter verschiedenen - Drücken stehen. Bei der in Fig. i dargestellten Kuübelseitentotlage des Kolbens steht der Kolbenteil 2 'unter dem Frischdampfdruck p1 (vgl. auch Fig. 2), wä@üend der Kolbenteil 4 unter dem Auspuffdruck p" steht; .der nur wenig über dem Atmosphärendruck liegt. ->Durch zwei an der Ober- und Unterseite des Zylinders 7 vorgesehene überströmkanäle 8, die vom schädlichen Raum 9 ausgehen und in den durch die Dichtungsringe 5 und 6 begrenzten ringförmigen Hohlraum io führen, wird in diesem gleichfalls der Eintrittsdruck p1 hergestellt. Der ringförmige Hohlraum io wird auf dem Umfang durch den Mantel i i des Kolbens und die Lauffläche 12. des Zylinders 7 begrenzt. Am entgegengesetzten Zylinderende befinden sich den Kanälen 8 entsprechende Ü'berströmkanäle 13, die in der Deckelseitentotlage des Kolbens (gestrichelt in Fig.i) bewirken, daß sich im Ringraum io wieder der volle Frischdampfdruck p1 einstellt. Die beiden Dichtungsringe 5 und .6 sitzen spiegelbildlich zueinander so im Kolben geneigt, daß sich die Verlängerungen ihrer Stirnflächen 14 und 15 oberhalb des Kolbens schneiden.
• Die sich durch diese Anordnung ergebenden Druckverhältnisse veranschaulicht Fig. 2. Die vertikalen Komponenten des auf die Kolbenstange i und den Kolbenteil 2 wirkenden Dampfdruckes p1 gleichen sich gegenseitig aus, soweit sich ober- und unterhalb der waagerechten Längsmittelebene 16 gleich große Mantelflächen gegenüberliegen. Das trifft für den Mantel der Kolbenstange i und die %Zantelteile (Flächen) 20 und 21 des Kolbenteiles 2 zu. Auf die verbleibende LTberschußfläche 22 wirkt der Frischdampfdruck, der den Kolben gegen die Unterseite der Lauffläche 12 des Zylinders 7 zu drücken sucht. Im Ringraum io herrscht, wie bereits gesagt wurde, gleichfalls der Frischdampfdruck p1. Die Mantelteile 30 und 31 unterhalb der waagerechten Längsmittelebene 16 gleichen sich mit den gleich großen Flächen 30 und 31 oberhalb dieser Ebene aus. Auf die beiden verbleibenden Flächen 32 wirkt somit der Frischdampfdruck p, nach oben. Beim Kolbenteil 4 sind wieder die Mantelteile 40 und 41 unterhalb der Längsmittelebene 16 mit den darüberliegenden Mantelteilen 40 und 41 ausgeglichen. Nicht ausgeglichen ist die Fläche 42, auf die der Auspuffdruck p" wirkt, der den Kolben geringfügig nach unten zu drücken sucht. Da die vier Flächen 22, 32, 32 und 42 gleich groß sind und der Druck pQ, weil er nur wenig über dem Atmosphärendruck liegt, vernachlässigt werden kann, ergibt sich, daß die eine Fläche 32 sich mit der Fläche 22 ausgleicht, während der auf die zweite Fläche 32 wirkende Druck p1 die den Kern

  der Erfindung bildende nach oben gerichtete resul-

  tierende Auftriebskraft erzeugt. Diese Kraft kann

  durch entsprechende Neigung der Dichtungsringe 5

  und 6 ohne weiteres so groß gewählt werden, daß

  sie gleich dein auf die Lauffläche 12 des Zylinders 7

  wirkenden Gewicht des Kolbens und der Stange i

  ist. Dann ist die Lauffläche 12 vollkommen vom

  Kolben- und Stangengewicht entlastet, so dalh der

  Kolben im Zylinder frei schwebt.

  Wenn sich beim Arbeitsprozeß der Kolben nach

  rechts bewegt, sinkt der auf die Cberschußfläche 22

  wirkende Druck p, nach beendeter Füllung all-inählich

  bis auf den Auspuffdruck p," ab. Gleichzeitig steigt

  der auf die Cberschußfläche 42 wirkende Druck

  vom Beginn der Kompression bis zur Deckelseiten-

  totlage an. Der Druck ein Ringraum io bleibt wäh-

  rend des Arbeitshubes irn wesentlichen umverändert

  und wird lediglich durch die von den Kolbenringen 5

  und 6 verursachten Lässigkeitsverluste geringfügig

  herabgesetzt, so daß die durch die eine resultierende

  Auftriebsfläche 32 bedingte Auftriebskraft mit

  Sicherheit die Lauffläche 12 des Zylinders 7 wäh-

  rend des ganzen Hubes fast vollständig vom Kolben-

  gewicht entlastet. In der Deckelseitentotlage treten

  die gleichen `'erhä ltnisse ein, die für die Kurbel-

  seitentotlage angegeben -,wurden. Der Ringraum io

  wird wieder auf den vollen Frischdampfdruck p,

  gebracht, und das Arbeitsspiel kann von neuem be-

  ginnen.

  Bei Antriebsmaschinen mit stark veränderlichen

  Betriebsverhältnissen, z.13. bei den Dampfmaschinen

  von Rangierlokomotiven, empfiehlt es sich, die

  resultierende Auftriebsfläche 32 so groß zu wählen,

  daß bei hohen Dampfdrücken der Kolben an der

  oberen Zylinderwand, bei kleinen Dampfdrücken

  leicht auf der unteren Zylinderwand aufliegt und

  nur bei mittleren Drücken schwebt.

  Das zweite Beispiel (Fig.3) erläutert den Fall

  der Zuführung der Druckflüssigkeit von außen her,

  und zwar die Zuführung von Fremddruckluft in

  den Ringraum io der Dampfmaschine einer Loko-

  motive. Zu diesem Zwecke enthält die Kolben-

  stange i eine Längsbohrung 17, die am Stangenende

  dicht abgeschlossen ist und mit einer radial im

  Kolben angeordneten, zum Ringrauen io führen-

  den Bohrung 18 in Verbindung steht. Diese An-

  ordnung ermöglicht es, bei Leerlauf der Dampf-

  maschine unter geringerem Druck stehendes Druck-

  mittel zuzuführen, da die beiden Kolbenseiten 2

  und d im Leerlauf entlastet sind. An Stelle von

  Druckluft verminderten Druckes könnte gedrosselter

  Frischdampf zugeführt werden. Bei Flüssigkeits-

  pumpen würde tropfbare Flüssigkeit von ent-

  sprechendem Druck zuzuführen sein. Es besteht

  ferner die '-Möglichkeit, in der reduzierenden Druck-

  leitung ein Rückschlagventil vorzusehen, das selbst-

  tätig bei M'egfall des hohen Druckes den ver-

  minderten Druck zuführt oder umgekehrt. Das

  dritte Beispiel (Feg. d) zeigt eine Lösung für die

  Fälle, in denen Wert darauf gelegt wird, den Druck

  im Ringraum io während des ganzen Hubes mög-

  lichst umverändert aufrechtzuerhalten. Zu diesem j

  Zweck wird der Kolbenkörper hohl ausgebildet.

  Der so geschaffene ringförmige Speicherraum 19

  steht über eine radiale Bohrung 23 mit dein Ring-

  raum io in Verbindung. Auch bei geringer Dreh-

  zahl wird der Speicherraum i9 eine ausreichende

  Sicherheit für die Aufrechterhaltung des Druckes

  im Ringrauen io bieten.

  An Stelle nur je eines Dichtungsringes 5 und 6

  können Gruppen von Dichtungsringen oder -rillen

  treten, ohne daß am Wesen der Erfindung dadurch

  etwas geändert wird. Druckflüssigkeit im Sinne der

  Erfindung ist jede tropfbare Flüssigkeit oder jedes

  Gas.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Kolbenlagerung bei liegenden Kraft- oder Arbeitsmaschinen, insbesondere bei doppelt wir- kenden Dampfmaschinen von Lokomotiven, da- durch gekennzeichnet, daß das Gewicht des Kolbens (2, 3, q) und der Kolbenstange (i), so- weit es vom Zylinder (7) und/oder den Lagern der Stange (i) aufgenommen wird, beim Arbeits- prozeß mindestens zu einem wesentlichen Teil durch eine Auftriebskraft aufgehoben ist, die durch eine auf den Kolben wirkende (tropfbare oder gasförmige) Druckflüssigkeit erzeugt wird. 2. Kolbenlagerung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die die Auftriebskraft er- zeugende Druckflüssigkeit das Treibmittel der Kraftmaschine bzw. das Arbeitsmittel der Ar- beitsmaschine ist. 3. Kolbenlagerung nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftriebskraft durch Einwirken der Druckflüssigkeit auf eine Fläche des Kolbens erzeugt ist, der keine Fläche gleichen oder höheren Druckes auf der ent- gegengesetzten Kolbenseite entspricht (Auf- triebsfläche 32). .1. Kolbenlagerung nach Anspruch 1 bis 3, da- durch gekennzeichnet, daß die Auftriebsfläche (32) durch Schrägstellung mindestens eines von wenigstens zwei Dichtungsringen (5, 6) entsteht, zwischen denen ein nach innen durch den Mantel (t i) des Kolbens und nach außen durch die Lauffläche (12) des Zylinders begrenzter Ring- raum (io) gebildet wird, in den die Druck- flüssigkeit eingeführt wird. 5. Kolbenlagerung nach Anspruch i bis d, da- durch gekennzeichnet, daß die beiden Dichtungs- ringe (5, 6) so gegeneinandergeneigt im Kolben sitzen, daß sich die Verlängerungen ihrer Stirn- flächen (1d, 15) oberhalb des Kolbens schneiden. 6. Kolbenlagerung nach Anspruch i bis 5, da- durch gekennzeichnet, daß der schädliche Raum (9) in Gier Totpunktlage des Kolbens durch mindestens einen Cberströmkanal (8, 13) mit dem den Auftrieb erzeugenden Ringraum (io) verbunden ist. 7. Kolbenlagerung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die die Auftriebskraft er- zeugende Druckflüssigkeit eine von außen her zugeführte Druckflüssigkeit ist, z. B. Druckluft bei Dampfmaschinen. B. Kolbenlagerung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der Druckflüssigkeit von außen durch eine Leitung (17, 18) im Innern der Kolbenstange (i) und des Kolbens erfolgt. g. Kolbenlagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im belasteten Zustand hochgespannte Druckflüssigkeit, im Leerlauf Flüssigkeit mit vermindertem Druck zugeführt wird. io. Kolbenlagerung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung für die unter vermindertem Druck stehende Flüssigkeit ein Rückschlagventil vorgesehen ist, das bei Wegfall des hohen Druckes die Leitung mit dem verminderten Druck selbsttätig einschaltet. i i. Kolbenlagerung nach Anspruch i bis io, dadurch gekennzeichnet, daß bei hohlem Kolbenkörper der ringförmige Raum (Speicherraum i9) des Kolbens durch eine Leitung (23) mit dem Ringraum (io) verbunden ist, in den die die Auftriebskraft erzeugende Druckflüssigkeit eingeführt wird. 12. Kolbenlagerung nach Anspruch i bis i i, dadurch gekennzeichnet, daß bei Maschinen mit stark veränderlichen Betriebsverhältnissen, z. B. bei Antriebsmaschinen von Rangierlokomotiven, die die Auftriebskraft erzeugende Überschußfläche (32) so ausgelegt wird, daß bei hohen Drücken der Kolben an der oberen Zylinderwand, bei kleinen Drücken an der unteren Zylinderwand leicht aufliegt und bei mittleren Drücken frei schwebt.