-
Kolbendampfmaschine Kolbendampfmaschinen mit einer Vielzahl von nacheinander
öffnenden Einlaßventilen sind bekannt; der Zweck dieser Ventile ist, durch das zuerst
öffnende Ventil eine Vorentlastung des oder der später öffnenden Ventile herbeizuführen.
-
Es ist ferner bekannt, die Auslaßöffnungen längs des Zylinders anzuordnen,
mit dem Ziele, die schädlichen Räume der einzelnen Ventilkammern reihenweise zuzuschalten.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Kolbendampfmaschine
die Dampfführung so zu gestalten, daß Hoch- und Höchstdruck sowie Dampf und Temperatur
ohne vorhergehenden Wärmeentzug nur mit Expansion in einem Zylinder verarbeitet
werden. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß eine Vielzahl von Einlaßöffnungen
längs des Zylinders angeordnet und derart gesteuert ist, daß der Dampfeinlaß mit
fortschreitender Bewegung des Kolbens in aufeinanderfolgenden Stufen stattfindet;
- es eilt also gewissermaßen die Dampfeintrittsöffnung dem Kolben nach, was durch
Verwendung von längs des Zylinders verteilten Einlaßöffnungen, die jeweils nach
Vorbeigang des Kolbens geöffnet werden, erreicht wird. Auf diese Weise ist Gewähr
dafür gegeben, daß der Kolben und auch der Zylinder auf stets gleicher Temperatur
gehalten werden, so daß Wärmeverluste und Kondensatbildung auf ein Minimum reduziert
werden, was eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades bedeutet.
-
Besonders zweckmäßig ist es, die erfindungsgemäße Anordnung in Verbindung
mit längs des Zylinders verteilten Auslaßöffnungen zu treffen, wobei die Verdichtungsspannung
in
bekannter Weise durch Offen-oder Geschlossenhalten der einzelnen Auslaßventile verändert
werden kann; dadurch wird erreicht, daß beim Zurückgehen des Kolbens der gesamte
im Zylinder enthaltene Dampf nicht den gleichen Weg über die ganze Zylinderlänge
zurücklegen muß wie der Kolben; dies aber arbeitet einer Abkühlung des Zylinders
und des Kolbens in erheblichem Maße entgegen. Die Maßnahme der an sich bekannten
Anordnung von längs des Zylinders verteilten Auslaßöffnungen ist daher ein wichtiger
Beitrag zur Lösung der Erfindungsaufgabe, den Kolben und den Zylinder auf möglichst
stets gleicher Temperatur zu halten.
-
Vorteilhaft sind die Ein- und Auslaßöffnungen zu längs des Zylinders
angeordneten, je aus einem Eir-und Auslaßventil bestehenden Ventilsätzen zusammengefaßt.
-
Die Steuerung der Ein- und Auslaßventile geschieht zweckmäßig durch
den aus einem öder mehreren Auslaßkanälen ausströmenden Dampf; die Regelung der
Dampfzufuhr zu und der Dampfableitung von diesem Steuerkolben erfolgt durch umlaufende
Steuerwalzen mit mantelseitigen Durchgangsöffnungen.
-
In weiterer Entwicklung des eingangs erwähnten Erfindungsgedankens
wird das in den innenliegenden Ventilkammern komprimierte Dampfgemisch zur Vorwärmung
des Kolbens ausgenutzt. Zu diesem Zweck wird der Kolben ganz oder teilweise hohl
ausgebildet und an der den Ventilen gegenüberliegenden Stelle mit einer Dampfdurchgangsöffnung
versehen, durch welche das in den Ventilkammern komprimierte Dampfgemisch in das
Kolbeninnere gelangen kann.
-
Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
zwar Fig. i einen Längsschnitt durch Zylinder und Steuerungsgehäuse, Fig. 2 und
3 einen der Ventilsätze vergrößert im Achsschritt, und zwar Fig. 2 im Querachsschnitt
zum-Hauptzylinder mit nur einem Steuerungszylinder und der Dampfzu- und der Dampfableitungsschieberwalze,
letztere im Querschnitt, Fig.3 den Ventilsatz im Längenachsschnitt zum Hauptzylinder
mit zwei nebeneinandergebauten Steuerungszylindern. (wie in Fig. _ im mittleren
Ventilgefäßraum eingesetzt dargestellt ist).
-
Längs des Zylinders Z sind in Abständen fünf Ventilgefäße VG I bis
VG V (Fig. z) angeordnet. Der Kolben der Maschine ist mit K bezeichnet und in Fig.
z in seiner Mittelstellung bei der Bewegung vom rechten zum linken Totpunkt gegenüber
dem Ventilsatz VG III gezeigt; er sitzt auf der Kolbenstange KS. Die Kurbelseite
des Zylinders ist mit Ku S, die Deckelseite mit DeS-bezeichnet; gemäß Fig.
2 und 3 besteht jeder der Ventilsätze VS I bis VS V aus zwei ringförmigen Schiebern
V I und V II, deren ersterer für den Dampfauslaß und deren letzterer für den Dampfeinlaß
bestimmt ist. Der Schieber V I hat kleineren Durchmesser als der Schieber V II;
bei seinem Öffnungshube legt sich der Schieber V I in den Schieber V II. Beide Schieber
bewegen sich vor Dampfdurchgangsschlitzen Sch, welche den Dampfdurchgang
von Dampfzuleitungskanälen EK bzw. zu Dampfableitungskanälen AK ermöglichen. Der
innere. Aufbau jedes Ventilsatzes gliedert sich, wie Fig. 2 und 3 zeigen, in fünf
übereinändergebaute Teilstücke, und zwar in die eigentliche Ventilkammer VK, in
die topfartig eingelegte Dampf- und Olabdichtungsbuchse St, für beide Ventile V
I und V II in die zentral gelegene Ölkammer Ö, in den Hubraum H für die Ventilhöhe
und in die Dampfsteuerungszylinder DZ I und DZ II. Das Ölzuleitungsrohr
ÖZ (Fig. 2) zieht seitlich an den fünf Ventilsätzen vorbei und speist die Ölkammern
Ö mit der aus einer Ölpumpe zugebrachten Ölmenge. Von den beiden Dampfsteuerungszylindern
des in Fig. 2 gezeigten Ventilsatzes ist nur einer zu sehen; in Fig. 3 und i hingegen
sind die nebeneinanderliegenden Steuerungszylinder eines Ventilsatzes sichtbar.
Beide Ventile V I und V II führen, wenn sie auf Öffnen und damit auf Herstellung
der Verbindung mit dem Dampfeinlaßkanal EK bzw. dem Dampfablaßkanal AK gestellt
werden, einen Hub nach oben aus. Das Dampfeinlaßventil V II verschiebt sich hierbei
gegenüber der Abdichtungsbüchse St, welche mit der inneren Wandung des Ventilgehäuses
zu diesem Zweck einen Ringraum R bildet. Die Abdichtungsbüchse St ist zugleich Träger
sämtlicher Dampf-und Öldichtungen. Das Auslaßventil V I erhält die Verbindung mit
seinem zugehörigen Steuerungskolben mittels einer Ventilspindel SP und den Querstegen
Qu, welche mit dem Ventilschieber V I fest verbunden ist. Das Einlaßventil V II
ist nicht mit einer mittleren axialen Ventilspindel verbunden, sondern mit zwei
exzentrisch angeordneten Spindeln. Der Ventilring des Einlaßventils V II hat zu
diesem Zweck an den Stellen L zwei Ausbuchtungen, in welchen die beiden Ventilspindeln
Sp I und SP II eingeschraubt sind. Die Dampf- und Olabdichtungsbuchse
St nimmt eine Abdichtung SA für die Auslaßventilspindel Sp
auf; ferner sind seitlich ebensolche Abdichtungen SA I und SA II für die
Einlaßventilspindeln SP I und SP II vorgesehen. Die mittlere Ventilspindel SP des
Auslaßventils V I ist unabhängig von den beiden äußeren Spindeln SP I und SP II
des Einlaßventils gesteuert. Geführt wird die zentrale Ventilspindel SP des Auslaßventils
an einer Spindelführungsplatte ER I (Erhebungsplatte), die Ventilspindeln SP I und
SP II an einer Führungsplatte ER II. Diese Führungsplatten übermitteln mittels Führungsbolzen
den Ventilen bei ihren Auf- und Abwärtsbewegungen eine genaue Führung. In jedem
der Steuerungszylinder DZ I und DZ II läuft ein Steuerkolben EV
I und EV II, von -denen in Fig. 2 nur einer zu sehen ist. In Fig.3 und auch
i dagegen sind beide Steuerungszylinder eines Ventilsatzes nebeneinandergebaut ersichtlich.
Die beiden Kolben sind j e durch eine kleine Kolbenstange KS I und KS II mit der
Führungsplatte (Erhebungsplatte) ER I und ER II verbunden, so daß also, wie erkennbar,
bei einem Hub des Kolbens IV I das Auslaßventil V I, bei einem Hub des Kolbens
EV II hingegen das Einlaßventil V II geöffnet wird: Die Steuerung des Kolbens EV
I und EV II in den Zylindern DZ I und DZ II erfolgt durch Dampf, Welcher
diesen Zylindern über zwei seitlich der Ventilsatzserie VS I bis VS V und parallel
angeordnete Dampfleitungen DL I und DL II zu- bzw. von diesen, abgeführt
wird (s. Fig. 2 und auch x). Die Leitungen DL I und DL II besitzen
Mantelöfinungen
M, durch welche der Dampf in radialer Richtung
strömen kann. Umgeben sind die Leitungen DL I und DL II je von einer
Schieberwalze JE I
und JE II. Diese Schieberwalzen sind an ihrem Mantel
ebenfalls mit Dampfdurchgangsöffnungen versehen und regeln somit je nach ihrer Stellung
den Eintritt von Steuerungsdampf in die Zylinder DZ I
und DZ II. Jeder
Zylinder DZ I und DZ II hat über und unter den zugehörigen Kolben
EV Dampfein-und Dampfaustrittsöffnungen (Fig.2), welche mit Leitungen gegen die
Schlitze der äußeren Laufbuchse M I der Schieberwalze JE I und
JE II münden, so daß also, wenn die betreffende Schieberwalze mit einer Dampfdurchtrittsöffnung
einer dieser Leitungen gegenübersteht, Dampfdurchgang und damit Beeinflussung des
zugehörigen Kolbens EV' erfolgt. Um den Grad der Füllung verändern zu können, sind
die Schieberwalzen JE I und JE II axial verschiebbar. Die Mantelöffnungen
der Schieberwalzen, durch welche der Dampf ein- bzw. austritt, sind keilförmig und
in Fig. i für Vorwärtslauf in der Schieberwalze JE I mit Vo bezeichnet, in
der. Schieberwalze JE II mit Vo I angegeben. Ebenso sind die Keilschlitze
für Rückwärtslauf in der Schieberwalze JE I mit Rii und in der Schieberwalze
JE II mit Rü I bezeichnet. Die Stellung der Steuerung in Fig. 3 entspricht
der Stellung des Ventilsatzes VS III in Fig. i. Der Steuerungskolben EV I, welcher
mit dem Dampfauslaßschieber in Verbindung steht, ist auf Geschlossen gestellt, der
Steuerungskolben EV II, welcher mit dem Dampfeinlaßschieber in Verbindung steht,
auf Offen. Der Kolben K wandert nach links (Fig. i); die Beaufschlagung der Steuerungskolben
EV I und EV II mit neuem Steuerungsdampf und die dadurch erzielte Verschiebung
dieser Kolben enden in jenem Zeitpunkt, zu dem die Querschnittsflächen der Keilschlitze
Vo bzw. Rü der Schieberwalze JE I vor den Schlitzen der Manteloberflächen
M bzw. M I sich durch deren Drehung verkleinern, im Gegensatz zu jenen Querschnittsflächen
der sich nach entgegengesetzter Richtung bewegenden Keilschlitze Vo I bzw.
Rü I der Schieberwalze JE II vor den Schlitzen der Manteloberflächen M bzw.
M I. Diese Querschnittsflächen gewinnen an Durchgangsfläche so viel, als bei der
gegenüberliegenden Schieberwalze JE I ausscheidet. Wie oben angegeben, ist
nach Fig. i der Dampfeinlaßschieber V II des Ventilsatzes VS III auf Offen gestellt.
Tritt nun, wie nach Fig. i dargelegt, eine Beeinflussung des Steuerungskolbens EV
II des Ventilsatzes VS III in diesem Sinne ein, daß damit das dazugehörige Dampfeinlaßventil
sich schließt, so bleibt dieses geschlossen, bis der Kolben K die Stellung der Fig.
i auf dem Rückweg wieder einnimmt. Dies entspricht einer halben Kurbelumdrehung,
und aus diesem Grunde sind die Keilschlitze unter sich je doppelt in Versetzung
von 18o° vorgesehen (in Fig. i ist nur die eine Keilschlitzgruppierung ersichtlich).
Durch Axialbewegung der Schieberwalze läßt sich, wie ersichtlich, der Füllungsgrad
verändern. Wird die Axialverschiebung so groß, daß die Keilschlitze Ra bzw. Rü I
wirksam werden, dann ist die Maschine auf Rückwärtslauf umgesteuert. Die Keilform
der Schlitze Vo und Rü bzw. Vo I und Rii I ist daher in entgegengesetzten Keilformen
zueinander gestellt. Aufgabe der Schieberwalze JE I ist demnach, die Steuerungszylinder
DZ I bzw. DZ II unter Volldruckdampf zu setzen, damit die Ventilbewegung
mit größtmöglicher Beschleunigung stattfindet, während die Leitung DL II
die Aufgabe der frühzeitigen und raschen Entleerung der Steuerungszylinder hat.
Wie in Fig. 2 für das Auslaßventil V I gezeigt, münden die Leitungen i und 3 über
die Kolben EV I und EV II in den Zylinder DZ I und DZ II und
die Leitungen 2 und q. unter diesen Kolben. Sinngemäß ist die Anordnung für jeden
der weiteren Steuerungszylinder. Jede der beiden Schieberwalzen JE I und
JE II muß gemäß obigem für jeden der Zylinder DZ I bzw.
DZ II zwei Steuerschlitze besitzen. Da beispielsweise fünf Zylinder
DZ I und fünf Zylinder DZ II vorhanden sind, macht dies für jede Schieberwalze
viermal fünf = zwanzig derartige Schlitze aus (je vier gehören zu einem Ventilsatz,
s. Fig. i). Die Dampfmenge, welche aus dem Hauptzylinder bei der Ventilkammer VK
III in den Ausströmkanal AK III austritt, wird nicht nach dem Kondensator
geleitet, sondern wird über ein Überströmungsrohr zu der Leitung DL I und
von hier in die zehn Steuerungszylinder gesteuert (in jedem der fünf Ventilsätze
sind zwei derartige Steuerungszylinder vorhanden). Nach vollzogener Beeinflussung
der Steuerungskolben EV I und EV II strömt der Abdampf über den Abdampfleitungen
zu der Schieberwalze JE II, um von hier über die Dampfleitung DL II
und das Ableitungsrohr zum Kondensator zu fließen. Der Antrieb der beiden Schieberwalzen
erfolgt mit Hilfe von Zahnrädern von einer Welle der Dampfmaschine aus und somit
in zwangsläufiger Abhängigkeit von der Bewegung des Kolbens. Erfindungsgemäß wird
der Dampf zum Antrieb der Maschine dem Zylinder Z jeweils mittels der ersten
drei auf dem Kolbenweg von einem Totpunkt zum andern hintereinanderliegenden Ventilkammern
VK V, VK IV, VK III bzw. VK I, VK II, VK III zugeleitet. In der dargestellten
Stellung der Fig. i vollführt der Kolben, wie bereits angedeutet, eine Linksbewegung;
das auf der Kurbelseite RüS liegende Dampfeinlaßventil V II des fünften Ventilsatzes
VS V hat, je nach Notwendigkeit des gesteuerten Füllungsgrades der Schieberwalzen
JE I und JE II; seine Öffnung beibehalten oder auch wieder geschlossen.
Die so gesteuert eingetretene Dampfmenge leistet Expansionsarbeit, und der Kolben
gelangt zur nächstliegenden Ventilkammer VZ IV. Steht der Kolben auf gleicher Höhe
mit dieser Kammer, kommen die gleichen Eintrittsmöglichkeiten für diesen Ventilsatz
zur Geltung, wie dies soeben für den vorerwähnten Ventilsatz angegeben wurde. Diese
zweite Dampfeinströmung trifft auf die bereits expansierenden Dampfanteile im Zylinder
und ergänzt bzw. überhitzt diese bereits kraftleistende Dampfmenge. Da nun der Kolben
bei seinem weiteren Wege im Zylindermittel infolge des Kurbelgesetzes auch seine
größte Geschwindigkeit annimmt, benötigt er wiederum eine dieser Geschwindigkeit
angepaßte Dampfmenge; durch das Einlaßventil V II des dritten Ventilsatzes VS III
wird sie ihm zugeleitet. Diese Öffnung erfolgt, wenn der Kolben auf gleicher
Höhe
mit der Ventilkammer VK III steht. Abermals erfolgt eine Wiederüberhitzung und Ergänzung
der Dampfmenge im Zylinder.
-
Erfindungsgemäß finden je nach Kraftbedarf -'Füllungsschaltung kleinere
oder größere stufenweise Expansionen im Zylinder während eines Hubes statt. Infolge
der stufenweisen Dampfeinströmung ist es gegeben, daß die Dampfzuführung mittels
düsenartiger, spiralenförmiger Dampfzuleitungsbahnen im Ventilgehäuse eine endlose
und nicht umkehrbare Dampfströmung vor den Einlaßventilen ermöglichen läßt. Es greift
der Dampf vor den Ventilen um dieselben, ohne eine Strömung zu ändern, ohne von
einem Pressungszustand in einen Strömungszustand und umgekehrt gezwungen zu werden.
Die Dampfströmungsgeschwindigkeit in der Dampfleitung im Ventilgehäuse ist gleich
der Geschwindigkeit des Kolbenhubes. Die düsenfeine Einströmbahn vor den Einlaßventilen
sowie der stufenweise Dampfeintritt in die Ventilkammern sind die Voraussetzungen
des Geschwindigkeitstreffens von Dampf und Kolben im Zylinder. Es wird demzufolge
immer die hochüberhitzte Frischdampfmenge auf die Kolbenstirnwandfläche treffen,
also gewissermaßen mit den Kolben wandern, was bei der jeweiligen Kompression auf
dieser Kolbenseite von großem Vorteil ist. Die in der Bewegungsrichtung des Kolbens
vor demselben liegenden Ventilsätze sind jeweils auf Auslaß gesteuert. Wandert der
Kolben aus der Stellung der Fig. i in Richtung gegen die Ventilkammer YK II weiter,
so schließen die Auslaßventile der beiden vor dem Kolben liegenden Ventilsätze VS
II und VS I, wodurch in an sich bekannter Weise eine Kompression der in diesem Teil
des Zylinders vorhandenen Dampfmenge stattfindet. Geht der Kolben durch seinen deckelseitigen
Umkehrpunkt, so erfolgt die Beaufschlagung des Kolbens über das Einlaßventil V II
des Ventilsatzes VS I. Bei den anderen Ventilsätzen VS II, VS III, VS IV und VS
V sind die Einlaßventile alle geschlossen. Die Auslaßventile öffneten sich, bevor
der Kolben seine Totpunktstellung einnimmt. Die vorher tätig gewesene Dampfmenge
strömt, ohne eine Längenströmung im Zylinder auszuführen, durch die Auslaßkanäle
AK nach dem Kondensator, das Auslaßventil V I des Ventilsatzes VS III hat mit dem
Kondensator keine Verbindung, sondern, wie schon erläutert, wird diese hier austretende
Dampfmenge mittels Überströmungsleitung zu den Steuerungszylindern DZ I und
DZ II abgezweigt. Dieses Auslaßventil öffnet sich früher als die übrigen,
um den im Zylinder nicht ganz expandierenden Dampf noch nutzbringend zur Steuerung
des Ventils zu bekommen. Erfindungsgemäß wird ein Teil der Hubleistungsrestmenge
des Arbeitsdampfes im Zylinder nicht mehr unausgenutzt zum Kondensator gesteuert
und auch nicht mehr mittelbar über Kurbelwelle, Exzenter, Federn usw., sondern unmittelbar
zur Steuerung der Ventile verwendet. Erfindungsgemäß scheiden auch die schädlichen
Räume und Flächen der drei mittleren Ventilkammern mit fortschreitender Kolbenbewegung
für die Kompression aus; nur noch eine Ventilkammer und der Raum zwischen Zylinderstirnwand
und Kolbenstirnfläche verbleiben als Kompressionsraum. Diese günstigen Verhältnisse
finden eine weitere Ergänzung auf der jeweiligen Expansionsseite des Zylinders bzw.
Kolbens mittels der hier stattfindenden reihenweisen Zuschaltung der drei mittleren
Ventilkammern, wodurch- für das Expansionsvolumen bei Beginn des Hubes günstigere
Voraussetzungen sich ergeben und erst im Zylindermittel sich der Einfluß der drei
Ventilkammern auswirken kann. Bei der erfindungsgemäßen Maschine wird, wie ersichtlich,
der im Kessel erzeugte Dampf von hohen Drücken und hohen Temperaturen ohne vorhergehenden
Wärmeentzug nur mit Expansion in jeweils einem Zylinder verarbeitet. Selbstverständlich
kann die Maschine sinngemäß als Mehrzylindermaschine mit zweckmäßig versetzt arbeitenden
Kolben ausgeführt werden, wobei sich dann in jedem dieser Zylinder die beschriebenen
Vorgänge abspielen.