DEM0022249MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 9. März 1954 Bekanntgemacht am 19. April 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung betrifft eine einfach wirkende ventilgesteuerte Wechiselistromdampfmaschine für hohe Überhitzung und ölfr-eiem Abdampf und bezweckt in erster Linie eine Verbesserung der thermischen und Verschleißeigenschaften der Zyiinderlaufbahn im Hinblick auf einen billigeren' Zylindersatz.

Bei Dampfmaschinen ist die thermische Beanspruchung im Bereich, der Einlaßströmung 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 Kreuizkopflau'fbüchse. Diese bekannten Zylinderkolbenanordnuingen haben jedoch den Nachteil, daß die Zylinderlaufbahni über ihre Bahnlänge unterschiedlicher thermischer 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 thermischen Beanspruchungen not-

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wendigerweise aus hochwertigem Material hergestellt sein müssen und audh fertigungsmäßig beträchtliche Kasten verursachen, bedeutet jeder nur durch teil weisen Zylinderversehleiß bedingte Zylinderwedhsel einen zusätzlichen Ausgabenaufwand, der bei zweckmäßiger Zylinderkonstruktion nicht nötig wäre.

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 Totpunkts teile erstreckt, in zwei Abschnitte unterschiedlicher Wärme- und/oder Verschleiß festigkeit unterteilt ist, wobei der Kolben derart geführt ist> daß er sich im ersten thermisch hodhbeanspruchten, Zylinderabschnitt frei bewegt und -nur im zweiten, thermisch weniger beanspruchten Zylinderabschnitt, beispielsweise durch die Korbenliderung, mit der Zylinderwand Berührung hat. Der thermisch weniger beanspruchte Zylinderabsdhnitt ist dabei erfindungsgemäß aus verschleißfestem Material hergestellt, wozu Graulguß oder auch keramisches Material, verwendet wenden kann.

Die erfindiungsgemäße Konstruktion bietet die - Möglichkeit zu individueller Wahl des Werkstoffes längs der Zyliinderlauifbahn und gewährleistet einen billigeren Ersatz des jeweils am schnellsten abgenutzten Zyliindertei'lis.

Nach weiteren Merkmalen der Erfindung ist der thermisch hochbeanspruch te Zylinderabschnitt haubenförmig ausgebildet mit vorzugsweise halbkugelförmiger Begrenzung der Zylinderinnenwandung am Ventil'kopf, 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.

Bei Brennkraftmaschinen ist es bereits bekannt, die Zylinderlaufbüchse in zwei Teilen auis unterschiedlich bearispruchbarem Material anzuordnen oder, wenn eine einheitliche Laufbuchse vorgesehen ist, den im Bereich der größeren thermischen Beanspruchung liegenden Teil der Laufbüchse mit einer verschleißfesten Auskleidung zu versehen. Der in der Laufbuchse 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 Kolbenliderung an dem dem Verbrennungsraum zunächst liegendein, also thermisch am höchsten beanspruchten Teil des Kolbens angeordnet ist, ergibt sich gerade in dem zugeordneten Laufbüchseiiabschnitt, der einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist, audh noch der höchste mechanische Verschleiß. Nachdem weiterhin derartige Tauchkolben gegenüber einem kreuzkopfgeführten Kolben kürzer gebaut sind¹, würde auch bei Verlegung' der Kolbenliderung in eine vom Brennraum weiter entfernte Zone kein beanspruohungsmäßiger Vorteil erzielt werden, weil durch die Wandberührung des· ■■ Kolbens der mechanische Verschleiß nach wie vor im Bereich des gesamten Hubes auftritt.

Weiterhin ist auch eine Gleichstromdampfmaschine, mit in Richtung dies Hubes des beaufschlagten Kolbens gesehen, 'hinter . den Auspuffschlitzen liegenden ölafosaogbohrungen und einem mit dem Arbeitskplbein verbundenen. .Führungskdlben bekannt, bei der in einem ungeteilten Zylindergehäuse Laufbüchsen verschiedener Verschleißfestigkeit eingesetzt sind. Der Führungskolben gleitet dabei in einer Stahlbüdhse und der Arbeitskolben in einer Kohlebüchse, die ihrerseits innerhalb des Zylinders von einer Stahlbüchse umspannt ist. Diese'bekannte Bauart hat, abgesehen von ihrer Kostspieligkeit und der Tatsache, daß der. Ärbeitskolben'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 Auisl aß öffnung für den Abdampf ist so •angeordnet, daß dieser beim Expansionshufo ebenfalls in nächster Nähe der Dichtung entweicht. Die Kolbendichtung entfernt sich also nicht bei jedem go Expansionshub vom Dampf raum im Zylinderraum, und der Dichtung ist auch kein ringmantelföirmiger 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.

Demgegenüber ist bei der Wechselstronidampfmaschine 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 berührungsifrei läuft.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Einzelbeschreibung, worin die Erfindung an Hand der Zeichnung an einem bevorzugten Ausfübrungsbeispiel noch weiter erläutert ist.

Der Arbeitszylinder der hierin gezeigten stehenden ventilgesteuerten Dampfmaschine ist erfindungsgemäß in einen oberen, thermisch hoch beanspruchten Zylinderaibsehnitt ι und einen unteren, thermisch weniger beanspruchten Zylinderabschnitt 2 unterteilt, wobei der obere Zylinderteil ι mittels Schrauben 3 am Maschinengestell 4 befestigt ist. In das Maschinengestell· 4 ist auswechselbar der untere Zylkidertei! 2 eingesetzt, der als gewöhnliche Kolbenlaufbüchse von guter Ver-

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schleißfestigkeit ausgebildet sein kann. Im Gestell 4 sitzt ferner noch die Kreuzkopflaufbüchse 5, die zu den Zylinderabsiöhnitten; 1 und 2 genau zentriert ist. Während der Zylinderabschnitt 1 aus thermisch hochbeanspruchbarem Material, z. B. Stahl, bestehen muß, genügt es, wenn der Zylinderabschnitt bzw. die Büchse 2 aus vorwiegend verschleißfestem 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 1 ausgewechselt zu werden braucht.

Der Kolben 6 ist in der Zeichnung links der Kreuzkopf bahn unter 6_a in der oberen und rechts der Kreuzkopfbahn unter 6_b 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 1 hat der Kolben 6 keinerlei Zylinderwandberührung, sondern bewegt sich hier innerhalb des durch den Spalt 8 angedeuteten Spiels frei. Im unteren Zylinderabschnitt 2 ist der Kolben 6 durch die Kolbenliderung 9 geführt, die hierin als Kolbenringdichiutng dargestellt ist; dieselbe ist so am Kolben angeordnet, daß sie sieh beim Kolbenhub nur innerhalb des Zyliinderabschnittes oder der Kolbenlauifbüdhse 2 bewegen kann. Um diesen' Zylinderteil vorwiegend nur dem Verschleiß, nicht aber auch thermischer Beanspruchung auszusetzen, ist die Unterteilungsstelle der Zylinderäbsdhniitte 1 und 2 in eine thermisch weitgehend neutrale Zone der Zylinderlauifbahn verlegt, bis zu welcher der Kolben 6 sieh bereits in seiner oberen Totpunktstellung erstreckt.

Der Zylinderteili ist, wie aus der Zeichnung zu ersehen, haubenföirmig ausgebildet und hat erfmdungsgemäß als obere Innenwandbegrenzung die Form einer Halbkugel· 10, was für die Ventilanordnung besonders günstig ist. Die Halbkugel 10 wird dabei von zylindrischen Aussparungen oder Kanälen 11, 12 der Ventilsitze 13, 14 durchdrungen, wobei von' den {nur andeutungsweise gezeigten) Ventilen 15, 16 die kalottenartigen Abschnitte 17, 18 besetzt werden, deren Sekantenflächen 19, 20 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 Kreisscheibenform des Zylinders der Fall ist.

Die Zylinderhaube 1 ist 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 öl leckage mit der Atmosphäre in Verbindung.

Die erfmdungsgemäße Anordnung hat außer den bereits erwähnten Vorteilen auch noch den, . daß selbstschmierende Kolbenringe mit Erfolg ver-

So wendet 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 Labyrinthdichtung vorgesehen ist.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Einfach wirkende ventilgesteuerte Wechselstromdampfmaschine für hohe Überhitzung und ölfreien Abdampf mit einem Kolben, der sich bereits in der oberen (oder inneren) Totpunktstellung bis in eine thermisch weniger bean-■Spruchte Zone des Arbeitszylinders erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder in dieser Zone in zwei Abschnitte (1, 2) unterschiedlicher Wärme- und/oder Verschleißfestigkeit unterteilt ist, wobei der Kolben derart geführt ist, daß er sich im ersten, thermisch hodhbeansprudhten Zylinderabschnitt (1) frei bewegt und nur im zweiten, thermisch weniger beanspruchten Zylinderabschnitt (2), beispielsweise durch die Kolbenlideruing (9), mit der Zylinderwand Berührung hat.
2. 2. Wechselstromdampfmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeidhnet, daß der thermisdh weniger beanspruchte Zylinderabschnitt 1(2) aus verschleißfestem Material, z. B. Grauguß oder auch keramischem Material, hergestellt ist.
3. 3. Wechselstromidampfmaschine nach Ansprudh ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß. der thermisch weniger beanspruchte Zylinderabschnitt (2) als auswechselbare Kolbenlaufbüchse in das Maschinengestell (4) eingesetzt ist.
4. 4. Wechiselstromdämpfmaschine nach den, Ansprüchen ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der thermisch hochbeanspruchte' Zylinderabschnitt (1) haubenförmig ausgebildet ist und an der oberen Zylinderinnenwandbegrenzung vorzugsweise Halbkugelform (10) aufweist.
5. 5. Wechselstromdampf maschine nach An-Spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbkugel (10) von zylindrischen Räumen (11, 12) für die Ein- und Auslaßventile durchdrungen ist, welch letztere Kugelkalotten (17, 18) besetzen, deren Sekantenflädhen· (19, 20) der Kolbenboden entsprechend angepaßt ist.
6. 6. Weichselstramdampfmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet,- daß der haubenförmige Zylinderabschnitt. (1) an der Teiliungsisteile mit dem Maschinengestell (4) verschraiuibt ist.

   Angezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 762 727;
   britische Patentschrift Nr. 409 579.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen