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Einfach wirkende ventilgesteuerte Wechselstromdampfmaschine Die Erfindung
betrifft eine einfach wirkende ventilgesteuerte Wechselistromdampfmaschine für hohe
Überhitzung und ölfreien Abdampf und bezweckt in erster Linie eine Verbesserung
der thermischen und Verschleißeigenschaften der Zylinder-. laufbahn .im Hinblick
auf einen billigeren Zylindersatz.
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Bei Dampfmaschinen ist die thermische Beanspruchung im Bereich der
Ei.n.laßströmung außerordentlich hoch; man vermeidet daher gerne in dieser Zone
eine direkte Berührung des Kolbens mit der Zylinderwandung und bevorzugt relativ
lange Kolben, die nur an ihrem Ende durch eine Kolbenliderung geführt sind. Bei
Tauchkolben mit Kreuzkopf erfolgt die Hauptführung des Kolbens an der Kreuzkopflau@fbüchse.
Diese bekannten Zylinderkolbenanordnun@gen haben jedoch den Nachsteil, daß die Zylin.derlaufbaahn
über ihre Bahnlänge unterschiedlicher thermi@ciher und Verschleißbeanspruchung unterliegt,
wobei bislang die Möglichkeit fehlte, die am meisten mechanischer Abnutzung unterworfenen
Teile des Zylinders zu ersetzen, ohne daß dadurch jeweils der ganze Zylinder ausgewechselt
zu werden braucht. Da die Zylinder derartiger Dampfmaschinen mit Rücksicht auf die
hohen therm.isdhen Beanspruchungen notwendige
--weise aus hochwertigem
Material hergestellt sein müssen und auch fertigungsmäßig beträchtliche Kosten verursachen,
bedeutet jeder nur durch teilweisen Zylinderverschleiß bedingte Zylinderwechsel
einen zusätzlichen Ausgabenaufwand, der bei zweckmäßiger Zylinderkonstruktion nicht
nötig wäre.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen. Dies
wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Zylinder in der thermisch weniger
beanspruchten Zone, bis zu welcher sich der Kolben bereits in seiner oberen oder
inneren Totpunktstelle erstreckt, in zwei Abschnitte unterschiedlicher Wärm-,- und/oder
Verschleißfestigkeit unterteilt ist, wobei der Kolben derart geführt ist, daß er
sich im ersten thermisch hochbeanspruchten Zylinderabschnitt frei bewegt und nur
im zweiten, thermisch weniger beanspruchten Zylinderabschnitt, beispielsweise durch
die Kolbenliderung, mit der Zylinderwand Berührung hat. Der thermisch weniger beanspruchte
Zylinderabschnitt ist dabei erfindungsgemäß aus verschleißfestem Material hergestellt,
wozu Grauguß oder auch keramisches Material verwendet werden kann.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion bietet die Möglichkeit zu individueller
Wahl des Werkstoffes längs der Zylinderlaufbahn und gewährleistet einen billigeren
Ersatz des jeweils am schnellsten abgenutzten Zylinderteils.
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Nach weiteren Merkmalen der Erfindung ist der thermisch hochbeanspruchte
Zylinderabschnitt haubenförmig ausgebildet mit vorzugsweise halbkugelförmiger Begrenzung
der Zylinderin.nenwandung am Ventilkopf, was den Vorteil erbringt, den schädlichen
Raum möglichst klein halten zu können. Andererseits ist die Anordnung zweckmäßigerweise
so getroffen, daß der verschleißfeste, thermisch weniger beanspruchte Zylinderabschnitt
als auswechselbare Kolbenlaufbüchse in das Maschinengehäuse eingesetzt werden kann.
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Bei Brennkraftmaschinen ist es bereits bekannt, die Zyldnderlaufbüchse
in zwei Teilen aus unterschiedlich beanspruchbarem Material anzuordnen oder, wenn
eine einheitliche Laufbüchse vorgesehen ist, den im Bereich der größeren thermischen
Beanspruchung liegenden Teil der Laufbüchse mit einer verschleißfesten Auskleidung
zu versehen. Der in der Laufbüchse geführte Kolben läuft dabei jedoch nicht berührungsfrei,
sondern schleift über den gesamten Kolbenhub an der Laufbüchsenwandung, wie dies
bei der für derartige Maschinen benutzten Tauchkolben üblich ist. Da außerdem die
Kollbenliderung an dem dem Verbrennungsraum zunächst liegenden, also thermisch am
höchsten beanspruchten Teil des Kolbens angeordnet ist, ergibt sich gerade in dem
zugeordneten Laufbüchsenabschnitt, der einer hohen therrnisehen Belastung ausgesetzt
ist, auch noch der höchste mechanische Verschleiß. Nachdem weiterhin derartige Tauchkolben
gegenüber einem hreuzkopfgeführten Kolben kürzer gebaut sind, würde auch bei Verlegung
der Kolbenlid erun:g in eine vom Brennraum weiter entfernte Zone kein beanspruchungsmäßiger
Vorteil erzielt werden, weil durch die Wandberührung des Kolbens der mechanische
Verschleiß nach wie vor im Bereich des gesamten Hubes auftritt.
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Weiterhin ist auch eine Gleichstromdampfmaschine, mit in Richtung
d°s Hubes des beaufschlagten Katbens gesehen, hinter den Auspuffschlitzen liegenden
Ö'labsaugbohrunge@n und einem mit dem Arbeitskolben verbundenen Führungskolben bekannt,
bei der in einem ungeteilten Zylindergehäuse Laufbüchsen verschiedener Verschleißfestigkeit
eingesetzt sind. Der Führungskolben gleitet dabei in einer Stahlbüchse und der Arbeitskolben
in einer Kohlebüchse, die ihrerseits innerhalb des Zylinders von einer Sta'h.lbüchse
umspannt ist. Diese bekannte Bauart hat, abgesehen von ihrer Kostspieligkeit und
der Tatsache, daß der Arbeitskolben nicht völlig berührungsfrei innerhalb der Kohlebüchse
läuft, den weiteren Nachteil, daß die Dichtung 'für den Arbeitskolben nicht im hin
und her gehenden Kolben, sondern -feststehend in einer weiteren im Zylinder eingesetzten
Stahlbüchse untergebracht ist. Der heiße Kolben gleitet also ständig an der feststehenden
Dichtung vorbei, und die Auslaßöffnung für den Abdampf ist so angeordnet, daß dieser
beim Expansionshub ebenfalls in nächster Nähe der Dichtung entweicht. Die Kolbendichtung
entfernt sich also nicht bei jedem Expansionshub vom Dampfraum im Zylinderraum,
und der Dichtung ist auch kein ringmantelfö.rmiger Dampfraum als ständiger Puffer
vorgelagert. Außerdem hat eine Kohlebüchse, die von einem Stahlmantel umfaßt ist,
den Nachteil, daß sie auf die unterschiedlichen Wärmedehnungen der Werkstoffe (Stahl,
Kohle) hochempfindlich anspricht, so daß leicht Schalenbrüche auftreten. Versagt
andererseits bei einer solchen Maschine die Ölabsaugung, dann kann leicht Schmieröl
vom Führungskolben in das obere Dampfgebiet und zur Kohlebüchse gelangen, was gleichfalls
deren rasche Zerstörung zur Folge hat.
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Demgegenüber ist bei der Wechselstromdampfmaschine gemäß der Erfindung
der Zylinder als solcher unterteilt, wobei der Teil, welcher einem mechanischen
Verschleiß ausgesetzt ist, in der Zone niedrigster thermischer Beanspruchung liegt,
während der Kolben im übrigen, thermisch hoch beanspruchungsfesten Teil des Zylinders
völlig berührungsfrei läuft.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Einzelbeschreibung, worin die Erfindung an Harid der Zeichnung an einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel noch weiter erläutert ist.
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Der Arbeitszylinder der hierin gezeigten stehenden ventilgesteuerten
Dampfmaschine ist erfindungsgemäß in einen oberen, thermisch hoch beanspruchten
i und einen unteren, thermisch weniger beanspruchten Zylinderabschnitt z unterteilt,
wobei der obere Zylinderteil i mittels Schrauben 3 am Maschinengestell 4. befestigt
ist. In das Maschinengestell 4. ist auswuchs el'bar der untere Zylinderteil 2 eingesetzt,
der als gewöhnliche Kolbenlaufbüchse von guter Verschl.
eißfestigkeit
ausgebildet sein kann. Im Gestell 4 sitzt ferner noch die Kreuzkopf@lauibüchse 5,
die zu den Zylinderabschnitten i und 2 genau zentriert ist. Während der Zylinderabschnitt
i aus thermisch hochbeanspruchbarem Material, z. B. Stahl, bestehen muß, genügt
es, wenn der Zylinderabschnitt bzw. die Büchse :2 aus vorwiegend versc'h'leißfestem
Material, z. B. Grauguß oder keramischem Material, hergestellt ist. Da dieser Zylinderteil
leicht auswechselbar eingesetzt ist, kann sein Ersatz vorweggenommen werden, ohne
daß auch der obere Zylinderteil i ausgewechselt zu werden braucht.
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Der Kolben 6 ist in der Zeichnung links der Kreuzkopf-bahn unter 6"
in der oberen und rechts der Kreuzkopfbabn unter 6b in seiner unteren Totpunktlage
gezeichnet; der Kolben 6 ist in an sich bekannter Weise mit dem Kreuzkopf 7 starr
verbunden. Im oberen, thermisch hochbeanspruchten Zylinderabschnitt i hat der Kalben
6 keinerlei Zylinderwandb erührung, sondern bewegt sich hier innerlhalb des durch
den Spalt 8 angedeuteten Spiels frei. Im unteren Zylinderabschnitt 2 ist der Kolben
6 durch die Kolibenliderung 9 geführt, die hierin als Kolbenringdichmung dargestellt
ist; dieselbe ist so am Kolben angeordnet, daß sie sich beim Kolbenhub nur innerhalb
des Zylinderabschnittes oder der Kolbenlaufbüchse 2 bewegen kann. Um diesen Zylinderteil
vorwiegend nur dem Verschleiß, nicht aber auch thermischer Beanspruchung auszusetzen,
ist die Unterteilungsstelle der Zylinderabschnitte i und 2 in eine thermisch weitgehend
neutrale Zone der Zylinderlaufbahn verlegt, bis zu welcher der Kolben 6 sich bereits
in seiner oberen Totpunktstel.lung erstreckt.
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Der Zylinderteil i ist, wie aus vier Zeichnung zu ersehen, haubenförmig
ausgebildet und hat erfindungsgemäß als obere Innenwand'begrenzung die Formeiner
Halbkugel io, was für die Ventilanordnung besonders günstig ist. Die Halbkugel io
wird dabei von zylindrischen Aussparungen oder Kanälen i i, 12 der Ventilsitze 13,
14 durchdrungen, wobei von den (nur andeutungsweise gezeigten) Ventilen 15, 16 die
kalottenartigen Abschnitte 17, 18 besetzt werden, deren Sekantenflächen i9, 2o der
Kolbenboden entsprechend angepaßt ist. Auf diese Weise läßt sich der schädliche
Raum sehr klein halten, und die Halbkugelform bietet den weiteren Vorteil, daß mdhr
Platz für ausreichend große Ventile zur Verfügung steht, als dies z. B. bei der
Kre'isschelibenform des Zylinders der Fall ist.
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Die Zylinderhaube i isst in an sich bekannter Weise von Isoliermaterial
21 umgeben, das durch .eine Verschalung 22 gehalten ist. Der Raum 23 steht zwecks
Abführung von Kondensat und Ölleckage mit der Atmosphäre in Verbindung.
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Die erfindungsgemäße Anordnung hat außer den bereits erwähnten Vorteilen
auch noch den, daß selbstschmierende Kolbenringe mit Erfolg verwendet werden können.
Die Erfindung ist sowohl für stehende als auch liegende Dampfmaschinen anwendbar;
sie eignet sich auch für solche Maschinen, bei denen am Kolben eine zweite Dichtung
in Form einer sogenannten Labyri:nthdichtung vorgesehen ist.