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Ventillose Gleichstrom-Umlauf-Gegenkolben-Verbunddampfmaschine Die
Erfindung betrifft eine ventillose Gleichstrom-Umlauf-Gegenkolben-Verbunddampfmaschine
mit paarweise mit ihren Längsachsen senkrecht aufeinander stehenden und zusammenarbeitenden
Hoch- und Niederdruckzylindern.
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Die Aufgabenstellung lautet, die bekannte Umlauf-Gegenkolbendampfmaschine
durch weitere Ausnutzung der Dampfausdehnung in Niederdruckzylindern bei vollkommen
ventilloser Ausführung noch wirtschaftlicher zu gestalten.
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Die Lösung nach der Erfindung sieht daher vor, daß der dem rotierenden
Hochdruckzylinder folgende, auf dessen Längsachse senkrecht stehende Zylinder als
Niederdruckzylinder ausgebildet ist, derart, daß beim halben Hubweg der Gegenkolben
im Hochdruckzylinder den Verbindungskanal zum Einlaßschlitz in den Niederdruckzylinder
öffnet und daß der Gegenkolben im Niederdruckzylinder nach Zurücklegung seines ersten
halben Hubweges den Auslaß zum Abdampfraum freigibt.
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In der schematischen Querschnittzeichnung ist der Erfindungsgegenstand
an dem Beispiel einer Vierzylinder-Gleichstrom-Umlauf-Verbundmaschine dargestellt,
wobei aus erklärungstechnischen Gründen der Frischdarnpfeinlaß zu den Hochdruckzylindern
in die Zeichenebene gedreht wurde.
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Die Bestandteile und ihre Bezeichnungen sind: das Maschinengehäuse
1, der äußere Hochdruckzylinder 3, der Hochdruckeinfachkolben 4, sein Pleuel 5,
der Hochdruckgegenkolben7, der äußere Niederdruckzylinder 3', der Niederdruckkolben
7', der Einlaßkanal im Hochdruckgegenkolben 10, Auslaßschlitz 11 im Hochdruckgegenkolben,
der Einlaßschlitz 12 im äußeren Hochdruckzylinder, der Auslaßschlitz 13' im äußeren
Hochdruckzylinder, der Verbindungskanal 11', der Einlaßschlitz 13" im äußeren Niederdruckzylinder,
der Einla-ßschlitz 13"' im Niederdruckgegenkolben, der Niederdruckeinfachkolben
4', der Auslaßlängsschlitz 15' im Niederdruckgegenkolben, der Abdampfl;ana115" im
äußeren Niederdruckzylinder, die miteinander verbundenen Abdampf räume 32, die Frischdampfzuleitung
14, die breitgedrückten Kondensatorrohre 16, der Kondenswasserablauf 33, die Kühlluftzwischenräume
zwischen den Kondensatorrohren 34, die Auslaßöffnungen 37 im Maschinengehäuse für
die Kühlabluft, die Wärmedichtungspackung 38.
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Der Frischdampfeinlaß im Hochdruckzylinder ist in den Gegenkolbenboden
verlegt, der Auslaßschlitz im Gegenkolben ist in der Hubmitte angeordnet. Der mit
einer Phasenverschiebung von der Größe des halben Hubweges folgende Zylinder ist
als Niederdruckzylinder mit größerer Bohrung versehen, sein Einlaßschlitz im Gegenkolben
liegt am inneren Zylinderboden, sein Auslaßschlitz liegt auf der halben Hubweglänge.
Der Auslaßschlitz des Hochdruckzylinders ist durch einen den Abdampfraum querenden
Verbindungskanal mit dem Einlaßschlitz des Niederdruckzylinders verbunden, derart,
daß die Mündungen dieses Kanals im äußeren Hochdruckzylinder und im äußeren Niederdruckzylinder
eine Schlitzlänge von einhalb Hubweg besitzen. Der Auslaßschlitz im Gegenkolben
des Niederdruckzylinders besitzt ebenfalls die Länge des halben Hubweges, der Auslaßschlitz
des äußeren Niederdruckzylinders hat die Größe wie der Einlaßschlitz im Gegenkolben.
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Die Dampfwege sind folgende: Frischdampf aus Leitung 14 gelangt durch
den Einlaßschlitz 12 im äußeren Hochdruckzylinder, über Kanal 10 im Gegenkolben
7 in den Hochdruck-Expansionsraum. Nach Ausdehnung und Druckabfall während des ersten
halben Hubweges strömt der Dampf durch den Auslaßschlitz 11 im Gegenkolben, über
den Längsschlitz 13' im äußeren Hochdruckzylinder, durch den Verbindungskanal 11',
über den Einlaßlängsschlitz 13" im äußeren Nicderdruckzylinder, den Einlaßschlitz
13"' im Gegenkolben in den durch das Nacheilen des Gegenkolbens entstandenen Raum.
Nach weiterer Expansion im Hochdruckzylinder während der zweiten Hubweghälfte und
der ersten Hubweghälfte im Niederdruckzylinder strömt der Abdampf über den Längsschlitz
15' im Gegenkolben durch den Abdampf -kanal 15" im äußeren Niederdruckzylinder in
den Abdampfraum 32, wird von da durch die Kondensatorrohre 16 hindurchgezogen, durch
die in den Zwischenräumen 34 der Rohre vorbeistreichende Kühlluft kondensiert, dann
als Kondenswasser in den Kondensatorsammelkanal geschleudert und von da über Leitung
33 zum Ölabscheider weitergeleitet.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Die Maschine wird durch den Anlassermotor
auf eine bestimmte
Drehzahl gebracht, das Frischdampfventil geöffnet,
und nun beginnt der Frischdampfeinlaß im Hochdruckzylinder, wenn dessen Einfachkolben
im äußeren Totpunkt, sein Gegenkolben aber noch 2 - 3,5°/a des Hubweges vor dem
Totpunkt steht. Der Einlaß bleibt offen, bis der Gegenkolben 2 - 3,5°/o vom Hubweg
nach dem äußeren Totpunkt steht. Die Füllung besteht somit aus 3 # 2 # 3,5"/o, des
Hubweges gleich 5,25-%, und zwar ohne jeden schädlichen Raum, was einen entscheidenden
Vorteil bedeutet. Nach Einlaßschluß expandiert der Dampf im Hochdruckzylinder, bis
der Gegenkolben die Hubwegmitte erreicht hat und durch den Einfachkolben der Auslaßschlitz
zum Verbindungskanal freigegeben wird. Die Volumenvergrößerung durch den Verbindungskanal
verursacht einen unproduktiven Spannungsabfall von noch vertretbarer Größe. Ab nun
expandiert der Dampf auf der zweiten Hubweghälfte im Hochdruckzylinder und auf der
ersten Hubweghälfte im Niederdruckzylinder. Beim Erreichen der Hubwegmitte im Niederdruckzylinder
gibt der Längsschlitz im Gegenkolben den Auslaß zum Abdampfraum frei, der unter
Kondensatorspannung steht. Beim Zurückgehen der Hochdruckkolben um die Hälfte des
Hubweges und beim zweiten halben Hubweg der Kolben im Niederdruckzylinder bis zum
Totpunkt unterliegen Hochdruckzylinder, Verbindungskanal und Niederdruckzylinder
einerseits der Kondensatorspannung, andererseits der Einwirkung des atmosphärischen
Luftdruckes. Im Hochdruckzylinder erfolgt während der zweiten Hubweghälfte, da nun
der Gegenkolben den Weg zum Verbindungskanal geschlossen hat, Kompression, im Niederdruckzylinder
herrscht dagegen während des Kolbenrückgangs bis zur Hubwegmitte noch die Kondensatorspannung
sowie der atmosphärische Luftdruck. Im Niederdruckzylinder gleicht sich die Einwirkung
des Luftdruckes aus, im Hochdruckzylinder ergibt sich aus der Wirkung des Luftdruckes
während einer Hubweghälfte eine zusätzliche Leistungssteigerung. Nun erfolgt im
Hochdruckzylinder Frischdampfeinlaß und nachfolgend Expansion bis zur Hubwegmitte,
im Niederdruckzylinder erfolgt während des gleichen Weges nun Kompression und folgend
dann Einlaß. Günstig wirkt sich aus, daß die Kompression im Hoch- und Niederdruckzylinder
nur während der Hälfte des Hubes stattfindet, und zwar mit der Anfangsspannung gleich
der Kondensatorspannung. Das Spiel wiederholt sich nun laufend. Die Anzahl der Expansionen
im Hochdruckzylinder hängt ab von der Wahl des Übersetzungsverhältnisses der Drehzahlen
von Kurbelwelle und Zylinderstern bei gegenläufiger Drehrichtung. Die Leistung des
Zentrifugalkondensators ist abhängig von der Drehzahl des Zylindersterns. Die Regelung
erfolgt durch Fliehkraftregler nach bekannter Art, ebenso die Schmierung.
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Dadurch, daß die Gegenkolben in beiden Zylindern den Einfachkolben
nacheilen, die Kolben im Niederdruckzylinder noch den halben Hubweg bis zum äußeren
Totpunkt zurücklegen müssen, während die Kolben im Hochdruckzylinder bereits im
Totpunkt stehen, wird die ventillose Steuerung erreicht, jeder schädliche Raum vermieden,
der thermische Wirkungsgrad bis nahezu an die -theoretisch überhaupt mögliche Höhe
verbessert und die Wirtschaftlichkeit in bezug auf Dampf- bzw. Wärmeverbrauch pro
PS h gesteigert, was zugleich den technischen Fortschritt interpretiert.
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Bei Mehrzylindermaschinen muß auf Massenausgleich und die Phasenverschiebung
der Kolben um einen halben Hubweg geachtet werden. Mehrere zusammenarbeitende Hoch-
und Niederdruckzylinderpaare können auch in mehreren Sternebenen hintereinander
auf gemeinsamer Kurbelwelle angeordnet werden.
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Die Verwendung als stationäre oder selbstortsbewegliche Maschine,
als Schnelläufer oder Langsamläufer ist möglich.