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Nach dem Gleichstromprinzip arbeitende, mittels eines Druckmittels
betriebene Kolbenmaschine Die Erfindung betrifft eine nach dem Gleichstromprinzip
arbeitende, mittels eines Druckmittels betriebene Kolbenmaschine, deren Ventilvorrichtung
zwei in Reihe hintereinander angeordnete, nacheinander öffnende und schließende
Ventile enthält, von denen das später öffnende den Einlaßbeginn und das früher schließende
das Einlaßende steuert, wobei letzteres einstellbar ist. Die Erfindung ist in erster
Linie - wenn auch nicht ausschließlich - auf Kolbenmaschinen der genannten Art anwendbar,
bei denen als Arbeitsmittel Dampf oder Druckluft dient und die bei verhältnismäßig
hohen Umlaufgeschwindigkeiten arbeiten sollen.
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Der Einfachheit halber wird in der nachstehenden Beschreibung davon
ausgegangen, daß es sich bei der Erfindung um eine einfachwirkende Maschine handelt.
Es ist aber selbstverständlich, daß die Erfindung auch auf doppeltwirkende, nach
dem Gleichstromprinzip arbeitende Maschinen angewendet werden kann. In einem solchen
Falle wird die Ventileinrichtung in den Arbeitsräumen entsprechend an den beiden
Enden eines jeden Arbeitszylinders vorgesehen.
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Bei nach dem Gleichstromprinzip arbeitenden Maschinen, bei denen als
Arbeitsmittel Wasserdampf oder andere Dämpfe oder Gase zur Anwendung kommen, wird,
wenn das heiße Arbeitsmittel dem einen Ende des Arbeitsraumes zugeführt und nach
der Expansion am anderen Ende dieses Raumes wieder abgelassen wird, ein verhältnismäßig
steiler Temperaturgradient über die Länge des Zylinders hinweg aufrechterhalten;
denn es findet
nicht nur keine Kühlung des Einlaßkanals durch den
sich auf gleichem Wege abspielenden Auslaß verhältnismäßig kühlen, expandierten
Arbeitsmittels statt, sondern das in dem Zylinder zurückbleibende Arbeitsmittel
wird während des Leerhubes komprimiert, so daß seine Temperatur ansteigt. Bei einer
Wasserdampfmaschine hat dies den Vorteil, daß Kondensationsverluste innerhalb des
Zylinders auf ein Mindestmaß herabgesetzt bzw. überhaupt vermieden sind; es ist
daher möglich, bei gutem Wirkungsgrad mit hohem Expansionsverhältnis zu arbeiten,
und zwar selbst wenn gesättigter Dampf zur Anwendung kommt. Ähnliche Vorteile, wenn
auch in etwas geringerem Ausmaße, sind erzielbar bei einer Maschine zum Verdichten
von Luft. Wenn auch in solchen Maschinen keine erheblichen Verluste infolge von
Kondensation entstehen, so hat doch-ein großes Expansionsverhältnis zur Folge, daß
die Endtemperaturen sehr niedrig liegen; dadurch entstehen Schwierigkeiten durch
Vereisung.
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Bei Gleichstrommaschinen ist es zweckmäßig und sehr erwünscht, daß
die Regelung der Leistung durch Veränderung des Expansionsverhältnisses anstatt
durch Veränderung des Einlaßdruckes durch Drosselung erfolgt. Wird überdies die
Maschine von einem Fliehkraftregler oder einem anderen von der Geschwindigkeit abhängigen
Regler gesteuert, so ist es wesentlich, daß die Reibungsverluste zwischen dem Regler
und der von ihm gesteuerten Vorrichtung so klein wie möglich sind. Erfolgt die Steuerung
mittels eines Drosselventils, so entsteht die Notwendigkeit der Verwendung einer
dampfsicheren Dichtung, durch die die Antriebsspindel hindurchgeführt ist; dies
hat Reibungsverluste zur Folge, die bei der Verwendung einer solchen Dichtung unvermeidbar
sind, und andere zusätzliche Nachteile bei einem derartigen Reglungsverfahren.
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Es-sind bereits Gleichstrommaschinen bekanntgeworderi, die mit einem
Druckmittel betrieben werden und eine mit dem Maschinenzylinder zusammenwirkende
Einlaßventilvorrichtung besitzen, die aus zwei in Reihe hintereinander angeordneten
Ventilen besteht. Von diesen bildet das eine ein Schließventil und das andere ein
Einlaßventil, das sich zwecks Einleitung der Arbeitsmittelzufuhr zum Arbeitszylinder
öffnet, wenn das erste Ventil bereits geöffnet ist. Das später öffnende Ventil steuert
also den Einlaßbeginn, das früher schließende Ventil das Einlaßende, wobei letzteres
einstellbar ist. Bei derartigen Gleichstrommaschinen ist es ebenfalls bekannt, das
Einlaßventil als Tellerventil auszubilden. Es ist in solchen Fällen aber schwierig,
eine exakte Steuerung zu erzielen, die ein scharfes Abschneiden der Arbeitsmittelzufuhr
ergibt; und zwar zu einem beliebig einstellbaren Zeitpunkt.
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Der Zweck der Erfindung besteht darin, für eine nach dem Gleichstromprinzip
arbeitende Maschine eine Einlaßventilvorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe es
möglich ist, ein scharfes Abschneiden der Arbeitsmittelzufuhr zu erzielen; außerdem
soll der Schließpunkt im gewünschten Maße regelbar sein, wobei auf den Regler oder
die sonstige Vorrichtung, mit der diese Regelung durchgeführt wird, nur eine geringe
durch Reibung hervorgerufene Belastung ausgeübt wird; außerdem ist nach der Erfindung
die Entstehung von Leckverlusten des Arbeitsmittels durch die Einlaßventilvorrichtung
weitgehend vermieden.
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Eine solche nach dem Gleichstromprinzip arbeitende, mittels Druckmittel
betriebene Maschine, deren Ventilvorrichtung zwei in Reihe hintereinander angeordnete,
nacheinander öffnende und schließende Ventile enthält, von denen das später öffnende
den Einlaßbeginn und das früher schließende das Einlaßende steuert, wobei letzteres
einstellbar ist, besitzt erfindungsgemäß zur Steuerung des Ei-nlaßbeginns ein an
sich bekanntes Ventil, während das das Einlaßende steuernde Ventil von dem ersteren
unabhängig ist, nach Art eines Kolbenschiebers ausgebildet ist und eine Schließkante
besitzt, die mit einem Schlitz des Kolbenschieberzylinders derart zusammenwirkt,
daß der Schließaugenblick durch Drehen des Kolbenschiebers in seinem Zylinder verändert
werden kann.
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Bei einer derartigen Maschine wird die Ventilanordnung zweckmäßig
derart ausgebildet, daß das Einlaßventil zwischen Kolbenschieber und Arbeitszylinder
liegt.
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Gegebenenfalls kann .die Drehverstellung des Kolbenschiebers gegenüber
seinem Zylinder zum Zwecke der Veränderung des Schließpunktes durch Drehung des
Zylinders bewirkt werden, während der Schieber, in der Drehrichtung betrachtet,
keine Verstellung erfährt; in der Regel wind aber die Verstellung durch Verdrehung
des Kolbenschiebers bewirkt, wobei der Zylinder ortsfest bleibt; der Einfachheit
halber wird in der nachstehenden Beschreibung davon ausgegangen, d:aß diese letztgenannte
Anordnung zur Anwendung kommt.
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Das Einlaßventil ist als an sich bekanntes Tellerventil ausgebildet,
da solche Ventile sehr leicht hergestellt und in dichtem Zustand gehalten werden
können, weil sie baulich einfach gestaltet sind und daher verläßlich arbeiten.
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Mit einer Anordnung nach der Erfindung kann ein scharfer Schließvorgang
erreicht werden, da der Kolbenschieber so angeordnet sein kann, daß der Schließvorgang
in einem Zeitpunkt eintritt, wenn sich der Schieber mit seiner höchsten Geschwindigkeit
bzw. annähernd mit dieser Höchstgeschwindigkeit bewegt. Dabei können die miteinander
zusammenwirkenden Schließkanten des Schiebers und der Öffnung in dem Zylinder gegebenenfalls
parallel zueinander liegen, so daß die Exaktheit des Schließvorganges noch gesteigert
wird. Geringe Leckverluste hinter dem Kolbenschieber @s,ind verhältnismäßig bedeutungslos,
da an dem Kolbenschieber vorbeigehende Arbeitsmittel nur während des Arbeitshubes
in den Zylinder gelangen können, d. h. während der Zeitdauer, in der das Tellerventil
offen ist, Während die Form der Schließkanten am Kolbenschieber und in der zugeordneten
Öffnung derart ist, daß der Schließpunkt je nach Wunsch
so verlegt
werden kann, daß er alle Arbeitsbedingungen zwischen Leerlauf und normaler Vollast
erfüllen kann, ist der Kolbenschieber gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung
zusätzlich so ausgebildet, daß er in einer Drehstellung, die auf seinem Drehhub
jenseits der Endstellung für normale Höchstbelastung liegt, die ihm zugeordnete
Öffnung in seinem Zylinder ständig offenhält. In dieser Stellung erfolgt die Zuführung
des Arbeitsmittels zum Arbeitszylinder ausschließlich über das Teller- bzw. Zufuhrventil.
Dieses Ventil hat dann eine totale Öffnungsperiode, die derart ist, daß ein Schließpunkt
erreicht wird, der für extreme Überbelastungen geeignet ist; dies kann beispielsweise
eine Stelle auf dem Hub des Arbeitskolbens sein, die nur 2o bis 25'/o vor dem Hubende
liegt.
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Ist die nach dem Gleichstromprinzip arbeitende Maschine mit einem
oder mehreren Zylinderpaaren ausgestattet, so vollführen die Kolben in den Zylindern
eines jeden Paares ihren Arbeitshub abwechselnd. Ein derartiges Zylinderpaar kann
ein nur mit einem einzigen Kolbenschieber ausgestattetes Schließventil besitzen,
das zwei Schließkanten aufweist, die die Öffnungen von Zufuhrkanälen für das Antriebsmittel
zu den beiden Zylindern steuern, wobei in jedem Zufuhrkanal ein besonderes Einlaßventil
vorgesehen ist.
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In der Zeichnung ist als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eine
Maschine veranschaulicht, die ein Zylinderpaar besitzt, dessen Kolben seine Arbeitshübe
abwechselnd durchführt.
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Fig. r zeigt die ganze Maschine in Seitenansicht und teilweise im
Schnitt; Fig. 2 zeigt die Maschine nach Fig. z in Stirnansicht und gleichfalls teilweise
im Schnitt; der Schnitt ist teilweise durch die Achse des Kolbenschiebers und zum
anderen Teil durch die Achse des einen der Arbeitszylinder hindurchgeführt; Fig.3
ist ein Querschnitt durch die Ventilanordnung der Maschine längs der Linie,3-3 der
Fig. 2.
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Die dargestellte Maschine hat ein Kurbelgehäuse A, das zwei
Zylinder. B und BI trägt. In diesen Zylindern laufen Arbeitskolben C, Cl,
die durch Pleuelstangen C2 mit den Kurbeln der Kurbelwelle C3 verbunden sind. Die
Kurbelwelle ist in dem Kurbelgehäuse A gelagert, und die Kurbelkröpfungen sind um
18o° zueinander versetzt, so daß die Kolben C und Cl abwechselnd ihre Arbeitshübe
vollführen. Die oberen Enden der Zylinder B, B1 sind durch einen Zylinderkopf B2
verschlossen, in dem sich Zuführungskanäle D, Dl für das Arbeitsmittel befinden.
Es sei angenommen, daß Wasserdampf als Arbeitsmittel zur Anwendung gelangt. Die
Zylinder B, BI weisen Aus.laßöffnungen B3 auf, die so angeordnet sind, daß sie von
den Kolben C, Cl am Ende ihres Arbeitshubes freigegeben werden. Die Auslaßöffnungen
münden in eine Auspuffleitung B4.
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Aus einem Stück mit dem Zylinderkopf B2 besteht ein Ventilgehäuse
B5, in das die Kanälei D, Dl hineinführen, wie dies aus Fig.3 zu erkennen ist. Fig.
3 zeigt, daß in dem Ventilgehäuse B5 zwei Tellerventile E, El mit den Ventilschäften
E2, Es so vorgesehen sind, daß sie die Verbindung zwischen den Kanälen D und Dl
und den Räumen F und F1 steuern. Die RäumeJF und F1 stehen mit Öffnungen G bzw.
G1 in einem Zylinder G2 in Verbindung; diese Öffnungen werden von einem Kolbenschieber
G3 auf einer Kolbenstange G4 gesteuert.
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Der Kolbenschieber G3 ist mit zwei Schließkanten 11 und Hl versehen,
die mit den Öffnungen G und G1 zusammenwirken, derart, daß bei normaler Betriebsweise
die Schließkante Hl die Öffnung G1 an einem Punkt des Aufwärtshubes des Kolbenschiebers
G3 schließt; die Schließkante H schließt die Öffnung G an einem Punkt des Abwärtshubes
des Kolbenschiebers G3 ab. Beide Schließkanten H und Hl sind geneigt gegenüber Ebenen,
die senkrecht auf der Achse des Kolbenschiebers G3 stehen; die dazugehörigen Kanten
der Öffnungen G und G1 sind entsprechend geneigt, so daß die Öffnungen G und G1
verhältnismäßig rasch geöffnet bzw. geschlossen werden, wenn die Schließkanten H
und Hl über sie hinweglaufen.
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Der Schaft G4 des Kolbenschiebers. G3 ragt durch ein Führungsstück
J hindurch. Im Bereich unterhalb dieses Führungsstückes ist der Schaft mit Längsnuten
versehen, die mit Zungen auf einer Hülse J1 zusammenwirken. Diese Hülse ist auf
dem Führungsstück J drehbar und dient als Widerlager für das eine Ende einer Feder
K, deren anderes Ende mit einem Bund od. dgl. K1 auf dem Schaft G4 zusammenwirkt.
Zwischen dem oberen Ende der Hülse Il und dem Führungsstück J liegt ein Kugellager
l2, das den Druck der Feder K aufnimmt, jedoch eine annähernd freie Drehung der
Hülse J1 gegenüber dem Führungsstück J ermöglicht.
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Es ist daraus zu erkennen, daß durch Schwenken der Hülse J1 auch der
Schaft G4 und der Kolbenschieber G3 um ihre gemeinsame Achse gedreht werden können.
Diese drehende Schwenkbewegung verändert die Stellen der Hubbewegung des Kolbenschiebers
G3, auf denen die Schließkanten H und Hl über die mit ihnen zusammenwirkenden Kanten
der Öffnungen G und G1 hinweggleiten.
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Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist jeder der Schließkanten H und Hl eine
NuttH2 zugeordnet, die sich in der Längsrichtung bis in dasjenige Ende des Kolbenschiebers
G3 erstreckt, das der Schließkante abgewendet ist. Diese Nuten H2 dienen dazu, ständig
Verbindung zwischen den Enden der Zylinder G2 aufrechtzuerhalten; außerdem dienen
sie noch einem anderen, nachstehend erläuterten Zweck. Das obere Ende des Zylinders
G2 steht mit der Dampfeinlaßleitung L in Verbindung.
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Die Tellerventile E, El werden für gewöhnlich durch Federn E4 in der
Schließlage gehalten, während ihn Schäfte E2, F_3 durch Führungsstücke E5 hindurchgeführt
sind. Die Ventilschäfte E2, E3 und der Schaft G4 des Kolbenschiebers sind so ausgebildet,
daß sie mit ihren zugehörigen
Führungsstücken Labyrinthdichtungen
bilden, die Leckverluste verhüten.
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Innerhalb des Kurbelgehäuses A ist z. B. mittels einer Kette M eine
Nockenwelle mit Kurbelwellengeschwindigkeit antreibbar. Die Mittellängsachsen der
Ventilschäfte E2, E3 und des Schaftes G4 gehen durch die Drehachse dieser Nockenwelle.
Die NockenwelleMi hat Nocken 1Y12 und M3, die auf Zwischenstößel .einwirken, die
ihrerseits die Ventile E und Ei betätigen; außerdem hat die Nockenwelle einen Nocken
M5, der über einen Zwischenstößel Ms auf den Schaft G4 einwirkt und so die Auf-
und Abbewegung des Kolbenschiebers G3 steuert. Zwischen den StößelnM4 und Ms und
den von ihnen gesteuerten Ventilschäften E2, E3 und G4 sind die üblichen Einstellglieder
vorgesehen. Die Stößel M4 und Ms ragen durch ein Führungsstück od. dgl. M7 hindurch
und sind so ausgebildet, daß sie sowohl in der Richtung nach oben als auch nach
unten keine Ixckverluste zulassen. Die Erhebungen, der Nocken M2, M3 :sind zueinander
um 18o° winkelverstellt, so daß die Ventile E und El abwechselnd angehoben werden;
die höchste und niedrigste Stelle des Nockens M5 ist um 9o° gegenüber den Erhebungen
der Nocken M2 und M3 versetzt, wie sich deutlich aus Fig. 2 erkennen läßt. -Mit
der Hülse l1 ist starr, aber regelbar ein Arm N gekuppelt, auf den eine Stange Ni
einwirken kann. Diese Stange wird von dem einen Ende eines Hebels N2 bewegt, der
seinerseits. mit Hilfe eines Fliehkraftreglers N3 steuerbar ist, und zwar entgegen
der Wirkung einer Feder 0. Die Betätigung des Reglers verursacht also eine Schwenkbewegung
der Hülse J1 und damit des Kolbenschiebers. G3.
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In Abweichung hiervon kann auch auf der Hülse J1 ein Rad befestigt
sein, das mit einer Zahnstange zusammenwirkt, die mittels des Hebels N2 entgegen
der Wirkung einer Feder in der Längsrichtung verstellbar ist. Die Arbeitsweise der-
Ventileinrichtung ist folgende: Etwa in dem Augenblick, in dem jeder der Arbeitskolben
C, Cl seine obere Totpunktlage erreicht, beginnt der zugeordnete Nocken
M2 oder M3 das entsprechende Tellerventil E bzw. Ei anzuheben; in diesem Zeitpunkt
ist die zugehörige Öffnung G bzw. G1 von der ihr zugeordneten SchließkanteH bzw.
Hl freigegeben, so daß das Arbeitsmittel durch die Zuführungsleitung L, die Öffnung
G1 oder G, den Raum F bzw. F1, das Ventil E bzw. Ei und den Kanal D bzw. D1 in den
zugehörigen Arbeitszylinder eintreten kann. Während sich der Kolben, auf seinem
Arbeitshub nach unten bewegt, hebt bzw. @senkt der Nocken M5 den Kolbenschieber
G3, bis in einer bestimmten Stelle seines Arbeitshubes die zugehörigen Schneidkanten
H oder HI des Kolbenschiebers G3 die zugeordnete Öffnung G bzw. GI schließen und
so die Zufuhr von Arbeitsmittel zum Arbeitszylinder abschneiden.
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Wenn der erwähnte Arbeitskolben das Ende seines Arbeitshubes erreicht,
so erfolgt der Auslaß des Arbeitsmittels in der für Gleichstromdampfmaschinen üblichen
Weise durch die Auslaßöffnungen B3. Der andere Kolben wird dann seinen oberen Totpunkt
erreicht haben. Der andere Nocken M2 oder M3 beginnt nun, das zugehörige Ventil
E oder Ei anzuheben, so daß nunmehr dem anderen Zylinder Arbeitsmittel zugeführt
wird, bis er anschließend durch den Kolbenschieber G3 an einer geeigneten Stelle
des Hubes des Arbeitskolbens vom Arbeitsmittel abgeschnitten wird; auch diese Stelle
ist wieder durch die jeweilige Drehstellung des Kolbenschiebers) G3 bestimmt.
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Die Drehstellung des Kolbenschiebers G3 wird von dem Regler gesteuert,
um den Schließpunkt zeitlich zu verlegen, mit entsprechender Verringerung der Maschinengeschwindigkeit
und umgekehrt; die Geschwindigkeitseinstellung kann durch Verstellung der Feder
0 geregelt werden, die auf die Fliehkrafteinrichtung einwirkt. -Übersteigt die Belastung
der Maschine einen bestimmten Wert, so ist es klar, daß der Regler den Kolbenschieber
G3 bis auf eine Stellung verdreht, bei der die Nuten H2 mit den Öffnungen G, GI
in Verbindung treten; diese Öffnungen bleiben dann ständig offen, so daß. die Zufuhr
und das Absperren des Arbeitsmittels allein durch die Ventile E, El bewirkt werden;
dies wird bei extremen Überbelastungen eintreten. Die Nocken 1112 und M3 sind daher
so ausgebildet, daß die Ventile E und Ei an jenen Stellen der Arbeitshübe ihre zugeordneten
Arbeitskolben schließen, die den Schließstellungen bei Höchstlast entsprechen.
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Es ist klar, daß während der ganzen Dauer des Leerhubes- des Arbeitskolbens
das zugeordnete Ventil E bzw: El geschlossen ist. Infolgedessen ist die Periode,
in .der ein unerwünschtes Entweichen von Arbeitsmittel aus der Zuführungsleitung
L in einen der Arbeitszylinder über den Kolbenschieber G3 hinweg stattfinden kann,
auf diejenigen Zeiten eines- jeden Arbeitshubes beschränkt, die dem Schließen folgen,
wenn nicht nur ein Rückdruck in dem. Arbeitszylinder vorhanden ist, um einen solchen
Leckvorgang zu verhindern, sondern wenn der Leckvorgang selbst auch nur von geringerer
Bedeutung ist.
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Da der Kolbenschieber ständige Hubbewegungen durchführt, ist die vom
Regler aufzuwendende Kraft zur Drehbewegung dieses Schiebers nur gering.