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Schwungradlose Kolbenkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf
schwungradlose Kolbenkraftmaschinen, wie sie z. B. zum Antrieb von Wasserpumpen
oder anderen Kolbenarbeitsmaschinen verwendet werden. Solche Kraftmaschinen arbeiten
gewöhnlich ohne Kompression. Es muß aber vermieden werden, daß die Kolben in ihren
Endlagen hart aufschlagen, was leicht zu Beschädigungen führen kann. Besonders hart
werden diese Schläge bei großen Hubzahlen, wie sie neuzeitliche Maschinen aufweisen.
Eine Dämpfung der Kolbenschläge kann man erzielen beim Antrieb von Kolbengebläsen
vermittels des hierbei im Gebläsezylinder auftretenden Luftkissens. Diese Art der
Dämpfung kann aber oft nicht oder nicht in genügendem Maße verwirklicht werden.
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Gemäß der Erfindung wird die Dämpfung dadurch erzielt, daß der auf
der einen Seite unter Hochdruckdampf stehende Kraftmaschinenkolben gegen Ende seines
Hubs die wechselweise als Frischdampf- und Abdampfleitung dienende Leitung der anderen
Kolbenseite abschließt und sodann den Arbeitsdampf über eine Umführungsleitung des
Zylinders auf die andere Kolbenseite und von dort nur zum Umsteuerorgan überströmen
läßt, und die Bewegung des Kolbens aus seiner Totlage heraus erfolgt entweder durch
einen mit ihm verbundenen Niederdruckkolben oder durch Zufuhr des Frischdampfs über
eine in der Totlage mit der Frischdampfleitung in Verbindung stehende Ringnut des
Kolbens und eine von dieser zu der zu beaufschlagenden Kolbenseite führende, mit
einem Rückschlagventil versehene Umführungsleitung, wobei die zuerst genannte Umführungsleitung
abgeschlossen ist.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstands schematisch dargestellt, und zwar zeigen die Fig. i bis
3 eine Tandemmaschine und die Fig. 4 bis 6 eine Einzylindermaschine je bei drei
verschiedenen Stellungen der beweglichen Teile.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind der Hochdruckzylinder mit
i, der Niederdruckzylinder mit 2, der Hochdruckkolben mit 3 und der mit diesem auf
einer gemeinsamen Kolbenstange sitzende Niederdruckkolben mit 4 bezeichnet.
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Zum Steuern der Maschine dient ein lotrecht angeordneter Kolbenschieber
$, der als Differentialkolben ausgebildet ist und vier wirksame Räume 6 bis 9 aufweist,
von denen der unterste, 6, mit dem obersten, 9, durch einen Kanal io verbunden ist.
Die Bohrung, in welcher der Kolbenschieber 5 gelagert ist, hat die folgenden Leitungsanschlüsse
(der Reihe nach von unten nach oben betrachtet): eine Frischdampfleitung ii, eine
Leitung 12, die im Hochdruckzylinder i etwa um eine halbe Kolbendicke unterhalb
des oberen Zylinderendes mündet, eine Leitung 13, die zum unteren Ende des Niederdruckzylinders
2 führt, eine Abdampfleitung 14, eine Leitung 15, die zum oberen Ende des Niederdruckzylinders
führt und eine Leitung 16, die im Hochdruckzylinder etwa um eine halbe Kolbendicke
oberhalb des unteren Zylinderendes mündet.
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Zum Umsteuern des Kolbenschiebers 5 dient ein Vorsteuerschieber 17,
der durch zwei von ihm getrennte Betätigungskolben 18, i9 eingestellt wird. Diese
werden durch vom Hochdruckkolben 3 gesteuerten Dampf angetrieben. Zu diesem Zweck
sind die Zylinder der Betätigungskolben an ihren äußeren Enden durch Leitungen 2o
bzw. 21 mit je einem Ende des Hochdruckzylinders i verbunden, während von den inneren
Enden dieser beiden Zylinder Leitungen 22 und 23 ausgehen, die in die Leitungen
12 bzw. 16 münden.
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Der Hochdruckzylinder weist zwei Umgehungsleitungen 25 und 26 auf.
Ihre Abzweigstellen sind um ein wenig mehr als die Dicke des Hochdruckkolbens 3
von den Enden des Zylinders entfernt. Die Umgehungsleitungen münden an den äußersten
Enden des Zylinders i.
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Bei dem in Fig. i dargestellten Zustand befindet sich der Hauptsteuerschieber
5 in seiner oberen Endlage. Hierbei gelangt der Frischdampf aus der Leitung i i
durch den Raum 6 und die Leitung 12 in den oberhalb des Kolbens 3 liegenden Teil
des Hochdruckzylinders i. Aus dessen unterem Teil strömt der Dampf durch die Leitung
16, den Raum 8 und die Leitung 15 oben in den Niederdruckzylinder 2. Aus diesem
entweicht der Abdampf durch die Leitung 13, den Raum 7 und die Abdampfleitung 14.
Die Kolben 3 und 4 bewegen sich daher nach unten.
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Wenn der Hochdruckkolben 3 bei seinem Abwärtsgang die Leitung 16,
durch die bis dahin der Dampf ausströmte, überschleift, entsteht schon eine gewisse
Gegenwirkung gegen die Kolbenbewegung, weil der unter dem Kolben befindliche Dampf
nicht mehr entweichen kann. Kurz vor der Beendigung des Hubs stellt der Kolben 3,
wie Fig. 2 zeigt, die Verbindung der Umgehungsleitung 26 mit dem oberhalb des Kolbens
befindlichen Raum her, der mit Frischdampf gefüllt ist. Infolgedessen tritt Frischdampf
durch die Umführungsleitung 26 unter den Kolben, wodurch eine starke Dämpfung erzielt
wird.
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Der durch die Umführungsleitung 26 überströmende Frischdampf gelangt
durch die Leitung 21 zu dem Zylinder des Betätigungskolbens i9 und drückt auf dessen
rechte Seite. Der links von dem Kolben i9 befindliche Zylinderraum steht dabei durch
die Leitungen 23, 16, den Raum 8 und die Leitung 15 mit dem Niederdruckzylinder
2 in Verbindung, in dem sich entspannter Dampf befindet. Infolgedessen wird der
Kolben i9 nach links geschoben, wobei er den Vorsteuerschieber 17 in die in Fig.2
dargestellte Lage mitnimmt. Hierdurch ist die Verbindung hergestellt worden zwischen
der Frischdampfzuleitung und dem Raum, der sich oberhalb des großen Kolbens des
Hauptsteuerschiebers 5 befindet. Da der Raum, der sich unterhalb des kleinen Kolbens
des Schiebers 5 befindet, mit der Abdampfleitung 14 verbunden ist, wirkt auf den
Schieber 5 eine Kraft nach unten, die seiner kleinen Kolbenfläche und dem Unterschied
zwischen dem Frischdampf- und dem Abdampfdruck entspricht. Der Schieber 5 wird daher
in die in Fig. 3 dargestellte untere Endlage geschoben. Nunmehr ist zwar die zu
dem unteren Teil des Hochdruckzylinders i führende Leitung 16 über den Raum 9,y
den Kanal io und den Raum 6 mit der Frischdamplleitung ii verbunden. Da aber die
Leitung 16 nicht am untersten Zylinderende mündet, sondern der Kolben 3 in seiner
Totlage die Leitung 16 abschließt, vermag der Frischdampf nicht, unter den Kolben
3 zu treten und ihn zu heben. Dafür strömt aber der oberhalb des Hochdruckkolbens
befindliche Dampf, sich dabei entspannend, durch die Leitung 12, den Raum und die
Leitung 13 unter den Niederdruckkolben 4. Infolgedessen wird dieser und mit ihm
der Hochdruckkolben 3 angehoben, wobei der oberhalb des Niederdruckkolbens befindliche
Dampf durch die Leitung 15, den Raum 8 und die Abdampfleitung 14 entweicht. Nach
kurzer Zeit gibt der Hochdruckkolben 3 die Leitung 16 frei, so d aß unter ihn Frischdampf
tritt, der seinerseits den Kolben 3 nach oben drückt.
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Wenn der Hochdruckkolben 3 in seine obere Endlage geht, überdeckt
er zunächst den Anschluß der Leitung 12, durch die bis dahin der Dampf aus dem Zylinder
i ausgeströmt ist, und stellt danach die Verbindung her zwischen der Umgehungsleitung
25 und dem unteren, mit Frischdampf gefüllten Teil des Zylinders i. Infolgedessen
tritt Frischdampf auf die Oberseite des Kolbens 3 und dämpft dessen Bewegung. Danach
wird der Betätigungskolben 18, der durch die Leitung 2o mit Frischdampf beaufschlagt
wird, nach rechts geschoben, wodurch der Vorsteuerschieber 17 und im Anschluß daran
der Hauptsteuerschieber 5 in die in Fig. i dargestellte Lage umgesteuert werden.
Nunmehr ist die zu dem oberen Teil des Hochdruckzylinders i führende Leitung 12
wieder mit der Frischdampfleitung ii verbunden. Auch hier kann aber zunächst der
Frischdampf nicht den Kolben 3 in Bewegung setzen, weil die Leitung 12 von dem Kolben
3 abgeschlossen ist. Die Abwärtsbewegung der Kolben wird vielmehr erst durch den
auf die Oberseite des Niederdruckkolbens 4 wirkenden Dampf hervorgerufen, der dem
Niederdruckzylinder aus dem unteren
Teil des floclidrtickzvlinclers,
der Leitung 16, dem Raum (S arid der Leitung 15 zuströmt. Erst wenn der Hochdruckkolben
3 die Leitung 12 freigibt, wird er von Frischdampf beaufschlagt.
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Die 1?inzylinderin"ischiiie nach Fig. 4 bis 6 hat die gleiche Steuerung
wie die zuvor beschriebene Nlaschine, mir besitzt der Hauptsteuerschieber 5 statt
der beiden Räume ; und @ nur einen Raum 28, der ständig mit der Abdampfleitung 14
verbunden ist, und es entfallen natürlich die bei dem ersten Beispiel zu (lern Niederdrtickzylinder
führenden Leitungen 13 und i5. Im übrigen sind bei der Einzylindermaschine nach
Fig. 4 bis 6 die beiden Zylinderenden ebenfalls mit Umfütirriilgsleittingeil 23
und 26 versehen, und auch hier miin(len die Dampfein- bzw. -auslaßleitungen
12 und l6 nicht an den äußersten Enden des Arbeitszylinders i, sondern \-(»i diesen
entfernt, so daß sie vom Arbeitskolbeil 3 in den Totlagen überschliffen werden.
Infolgedessei) könnte sich der Arbeitskolben, weih er aus der Stellung von Fig.
4 in die untere Endstellung nach Fig. 5 gelangt ist, ohne besondere Vorkehrungen
nicht «-iecler n@icli oben bewegen, da kein Niederdruckkolben vorhanden ist, der
bei dem ersten Beispiel allein die Bewegung der beiden Kolben aus den Endlagen heraus
bewirkt.
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iss ist daher die folgende Einrichtung getroffen. Der Arbeitskolben
3 erhält eine Aussparung 20, die bei der unteren En(lstelltnig des Kolbens nach
Fig.5 einerseits mit der Leitung i6 in Verbindung steht und andererseits mit einem
Kanal 3o, der in die U mführungsleitun- 26 miinclet. Dies geschieht unter Vermittlung
eines Dreiwegeschiebers 31, der entweder gemäß Fig. 4 und f> den unteren Teil der
U mführungsleitung 26 mit (lern Kfin Ftl 3o verbindet und ihn dabei gegenüber dem
oberen Teil der Umführungsleitung 26 abschließt oder der umgekehrt gemäß Fig. 5
den unteren Teil der Umfiilirtingsleitung mit ihrem oberen Teil verbindet, aber
dabei gegerüiber dem Kanal 3o abschließt.
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Wenn rum der Arbeitskolben 3 in seine untere Endstellung gemäß Fig.5
gelangt, ist über die Umführungsleitung 26 die Verbindung zwischen dem oberhalb
des Kolbens betindlichen, mit Frischdampfdruck gefüllten Raum und dem unterhalb
des Kolbens liegenden Raum herIgestellt, so daß dort ein Dämpfungspolster entsteht.
Dabei schiebt der in der U mführungsleitung 26 befindliche Frischdampfdruck den
Kolben des Dreiwegeschiebers 31 nach rechts und verschließt so den Kanal 3o, der
über die Eindrehung 29, die Leitung 16 und den Raum 28 mit der Abdampfleitung 14
verbunden ist. Nachdem der Hauptsteuerschieber 5 umgeschaltet worden ist, tritt,
wie Fig. 6 zeigt, Frischdampf eins der Leitung 16 in die Aussparung 29 des Arbeitskolbens
und in den Kanal 3o. Auf den Kolben des Dreiwegeschiebers ;1 wirkt daher von rechts
her Frischdampfdruck, während auf seiner linken Seite Abdampfdruck herrscht, da
diese über den oberen Teil der Umführungsleitung 26 mit dem oberen Teil des Zylinders
verbunden ist, aus dem der Dampf über die Leitung 12 entweicht. Der Kolben des Dreiwegeschiebers
Wird daher nach links geschoben, so daß der obere Teil der Umführungsleitung 26
abgesperrt ist und der Frischdampf aus dem Kanal 3o durch den unteren Teil der Umführungsleitung
26 unter den Arbeitskolben 3 tritt. Der Kolben 3 bewegt sich daher nach oben.
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Die entsprechenden Vorgänge spielen sich ab, wenn der Arbeitskolben
3 in die obere Endlage gelangt, da in die zugehörige U mführungsleitung 25 ebenfalls
ein Kanal 32 mündet und ein Dreiwegeschieber 33 vorgesehen ist.
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Wie sich aus der vorstehenden Schilderung ergibt, erfolgt bei beiden
Ausführungsbeispielen die Umsteuerung praktisch erst dann, wenn der Kolben in den
Endstellungen zur Ruhe gekommen ist. Es sind daher z. B. beim Antrieb von Wasserpumpen
die gefährlichen Ventilschläge vermieden, die auftreten, wenn umgesteuert wird,
solange sich der Arbeitskolben noch bewegt.
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Die Erfindung ist nicht auf Dampfmaschinen beschränkt; sie kann auch
bei Benutzung eines anderen Arbeitsmittels, z. B. von Druckluft, angewendet werden.
Die Dämpfung gemäß der Erfindung läßt sich auch verwirklichen bei solchen schwungradlosen
Kolbenkraftmaschinen, bei denen die Steuerung in anderer als der beschriebenen Weise,
z. B. rein mechanisch, erfolgt.