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Österreichische
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FRANZ JOSEF WEISZ IN BASEL. Kolbenschiebersteuerung für Kompressoren.
Den Gegenstand der Erfindung bildet eine Steuerung für Kompressoren, die den Zweck verfolgt, den Kompressor dahin zu vervollkommnen, dass er mit Geschwindigkeiten von 300,400 und noch mehr Umdrehungen in der Minute arbeiten kann und damit die Möglichkeit gewährt, unmittelbar durch einen der Schwungradwelle angekuppelten, schnellaufenden Elektromotor angetrieben zu werden. Ventilkompressoren eignen sich hiefür nicht, da kein Ventil eine so hohe Umlaufszahl erträgt.
Aber auch die gewöhnlichen Schieberkompressoren versagen hier, weil alle bis jetzt bekannt gewordenen Kompressoren der Art, sollen sie nicht ganz unvorteilhaft arbeiten, in ihrer Steuerung ausser dem Schieber, der an und für sich freilich die hohen Umlaufszahlen ertragen könnte, immer noch eine Rückschlagklappo, ein Rückschlag-oder Druckvontil erhalten müssen, alle derartigen selbsttätigen Ventile oder Klappen aber bei den hier ins Auge gefassten Umlaufszahlon versagen.
Die Steuerung nach der Erfindung wird durch einen durch Kurbel oder Exzenter bewegten Kolbenschieber gebildet, der bei den hier auftretenden, grossen Geschwindigkeiten
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Die Kraftverschwendung, die durch Weglassung der bekannten Druckventile bei den bis jetzt bekannten Schiebersteuerungen entstehen würde, wird durch eine besondere Einrichtung der Steuerung vermieden, derzufolge der Druckkanal am Zylinder erst geöffnet wird, wenn die verdichtete Luft vor dem Kolben annähernd auf die Druckspannung ge- kommen ist.
Durch diese Einrichtung der Steuerung wird gleichzeitig bewirkt, dass der Ansaugkanal nicht nur bis zum völlig erreichten Hubende völlig offen bleibt, sondern auch noch ein bestimmtes Stück im neu beginnenden Rückhube, so dass sich die Saugseite des Zylinders trotz der hohen Umlaufszahlen des Kompressors immer noch mit Luft von voller Saugspannung füllen kann, also mit Luft von vollem Atmosphärendruck, wenn der Kompressor aus dem Freien saugt. Ferner verlangt. diese Steuerung grosse schädliche Räume, die aber hier gerade nützlich wirken, indem die in ihnen am Hubende verdichtete und beim neu beginnenden Hube wieder expandierende Luft der gewaltigen Massenwirkung
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nehmen.
Die beiden letztgenannten Eigenschaften der Steuerung, nämlich die grossen schädlichen Räume im Arbeitszylinder und die Luftkissen für den Steuerholben, gewähr-
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Die vorstehend beschriebene Einrichtung ist für Kompressoren mit doppeltwirkenden Zylindern bestimmt. Man kann nun die Steuerung auch für einfachwirkende Zylinder anwenden, es fällt dann der eine der beiden Steuerkolben sowie die zugehörige Hälfte des Schiebergehäuses weg.
Bei mehrstufigen Luftkompressoren kann man zwei einfachwirkende Kompressoren in einem einzigen Arbei zylinder vereinigen und ebenso die Kolbenschieber für diese beiden einfachwirkenden Kompressoren in einem einzigen Schiebergehäuse unterbringen, wobei dann in jenem Arbeitszylinder zwei Stufen der Verdichtung, und zwar unter Anwendung eines Differentialkolbens, bewirkt werden.
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In der Zeichnung veranschaulichen die Fig. 1, 2 und 4 die Ausführungsform für doppeltwirkende Zylinder und Fig. 6 die Ausführungsform mit zwei einfachwirkenden Kompressoren mit einem einzigen Zylinder.
Fig. 1 zeigt im Längsschnitt den Arbeitszylinder und den zugehörigen Steuerzylinder mit seinen beiden nicht durchbrochenen und fest auf der Schieberstange sitzenden Steuerkolben k. Schieberstange und Steuerkolben sind in dieser Figur in ihrer äussersten Stellung nach links gezeichnet, in der sie gerade anfangen, sich nach rechts zu bewegen. Bei dieser Stellung der Steuerkolben bewegt sich der Arbeitskolben, dessen Kurbel derjenigen der Steuerkolben um einen bestimmten Winkel nacheilt, noch nach links und ist bald an seinem Hubende angelangt.
Die Verbindungskanäle a zwischen Arbeitszylinder und Steuerzylinder sind dabei offen und es wird durch den sich nach links bewegenden Arboitskolben aus dem Saugraum s durch den rechtsseitigen Kanal a Luft auf dem durch die Pfeile angedeuteten Weg in den Raum hinter dem Arbeitskolben angesaugt, während die Luft vor diesem Kolben durch den linksseitigen Kanal a auf dem ebenfalls durch Pfeile angedeuteten Weg in den Druckraum d ! gedrückt wird.
Die Kolbenschieber, die in Fig. 2 in ihrer Mittelstellung aufgezeichnet sind, müssen nun, den hier angestrebten Zwecken entsprechend, bestimmte Bedingungen erfüllen : ihre äussere Deckung muss entweder sehr klein oder gleich null oder sogar etwas negativ sein ; sie ist nach der Zeichnung mit Null angenommen. Dagegen ist die innere Deckung i relativ sehr gross ; bei Verhältnissen der Saugspannung po zur Druckspannung p (Fig. 3) von ungefähr 1 : 2, welches Verhältnis bei dieser Art von Kompressoren nicht wesentlich Überschritten werden soll, muss die innere Deckung i ungefähr gleich der anderthalbfachen Kanalweite a, d. h. i=1#5 a, sein.
Der halbe Schieberweg oder die Exzentrizität l'des don Schieber antreibenden Exzenters oder der Halbmesser r der ihn antreibenden Kurbel muss dann gleich oder etwas grösser sein als Kanalweite a mehr innerer Deckung i, zweckmässig r = a+i. Endlich muss der Exzenterhalbmesser oder die den Kolbenschieber an-
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mässig 8 = 370.
Wollte man umgekehrt aus dem Raume d (Fig. 1) die Luft ansaugen und sie nach dem Raume s drücken, so müsste die innere Deckung i sehr klein oder null sein, während dagegen die äussere Deckung gross, etwa 1#5 a, sein und die den Kolben-
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Mit den so bestimmten, massgebenden Grossen von a, i, r und # ist im unteren Teile der Fig. 3 das Zeunersche Schieberdiagramm und im oberen Teile dieser Figur das zugehörige Luftdruckdiagramm aufgezeichnet, in dem c den Hub dos Arbeitskolhens und w r die links und rechts gleich grossen schädlichen Räume im Arbeitszylinder darstellen.
In der Kurbelstellung I (Fig. 3) ist der Arbeitskolben in seiner linksseitigen Totpunktstellung angelangt und hat der linksseitige Kolben des Kolbenschiebers eben den linksseitigen
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weil eine Kolbensteuerung für raschen Gang bei gleichzeitig hoher Kolbengeschwindigkeit immer grosse schädliche Räume bedingt.
In Kurbelstellung 111 wird die volle Eröffnung jenes Kanals a erreicht und ist dieser Kanal noch voll geöffnet, wenn der Arbeitskolben mit der Kurbelstellung IV in seine rechtsseitige Totpunktstellung gekommen ist. ährend desKurbelweges 11--11' würde der Stift eines an den Arbeitszylinder angeschraubten Indikators die der gleichbleibenden Saugspannung p0 entsprechende Gerade B-D aufzeichnen, wenn der Kompressor ganz langsam laufen würde.
Läuft er aber mit seiner normalen, hohen Umlaufszahl, so wird die Saugkurve infolge von Drosselung den punktierten Verlauf B-C-D. lehmen und am Hubende D wird-mögen die Luftdurchgangsqucrschnitte auch so gross sein, dass die mittlere Luftgeschwindigkeit nur mässig, etwa 25 bis 30 m bleibt - die Spannung der angesaugten Luft noch nicht die volle e Saugspannung p0 erreicht haben, sondern
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darunter geblieben sein.
Nun hat die Steuerung nach der Erfindung die weitere Eigenschaft, den Saugkanal nicht schon uei erreichtem Hubende abzuschliessen, vielmehr beginnt der Saugkanal erst in der Kurbelstellung V sich zu schliessen und erreicht seinen völligen Schluss in der Kurbelstellung VI, nachdem der Kolben schon das Stück D-E seines Rücklaufes zurückgelegt hat. Auf dem Kurbelwege IV-VI kann also immer noch Luft einströmen, so dass sich. in der Kurbelstellung VI der Zylinder-trotz sehr hoher Umlaufszahl und sehr hoher Kolbengeschwindigkeit-doch mit Luft von voller Saugspannung gefüllt haben wird. Für die Volumenleistung des Kompressors kommt vom
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die die Zylinder bei den hohen Umlaufszahlen erhalten, praktisch ganz bedeutungslos ist.
Von Kurbelstellung VI bis Kurbelstellung Vll bleibt der Kanal geschlossen und die Luft wird nach der Kurve (Adiabate) E-F verdichtet.
In Kurbelstellung VII beginnt der Kolbenschieber den Kanal gegen den Druckraum hin zu öffnen und bei ganz langsamer Bewegung des Arbeitskolbens würde durch aus dem Druckraum in den Zylinder zurückströmende Luft der Luftdruck längs der stark ausgezogenen Geraden F-G sofort auf die Druckspannung p springen und sich während
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Kolben die verdichtete Luft in den Drnckraum befördert, beständig auf dieser Höhe halten, entsprechend der stark ausgezogenen Geraden G-A. Bei dem ausserordentlich raschen Gange, für den diese Kompressoren gebaut sind, wird die wirkliche Druckkurve etwa den Verlauf der punktierten Linie F-H--A nehmen.
Der Eröffnungspnnkt P des Kanales, der Kurbelstellung VII entsprechend, ist absichtlich bei dieser Steuerung vor den Punkt J, wo die Adiabate die Druckspannung p erreicht, verlegt, damit dort der Kanal, dessen Eröffnung schleichend vor sich geht, schon ein gewisses Stück offen ist, wodurch die immer noch entstehende Drosseling der weggedrückten Luft auf ein mogli chst kleines Mass beschränkt wird.
In der Kurbelstellung VIII hat der Kanal seine grösste Er- öffnung erreicht und auf dem weiteren Wege VII-R schliesst er sich, bis er in der
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seite gezeigt ist, geht auch auf der anderen Kolbenseite des Kompressors vor sich, wenn dieser doppeltwirkend ist.
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auch der Punkt F und damit auch die Kurbelstellung F/Z erheblich nach links rücken ; wollte man auch dann noch den Kanal a (Fig. 1) für die abgehende Druckluft auf seine volle Weite oder doch beinahe auf seine volle Weite sich eröffnen lassen, was unbedingt immer gefordert werden muss, so müsste der jetzt schon grosse Schieberhub ganz ungewöhnlich gross worden ; die Steuerung wäre zwar theoretisch auch dann noch richtig, sie hätte aber ihre gewerbliche Verwertbarkeit eingebüsst.
Trotzdem so das Druckverhältnis in jedem Zylinder mit dieser Steuerung nur ein mässiges sein darf, kann man damit doch jeden beliebigen Enddruck der verdichteten Luft erreichen, wenn man nämlich stufenweise in mehreren Zylindern hintereinander verdichtet, so dass der erste Zylinder aus dem Freien ansaugt und in einen (zu kühlenden) Behälter drückt ; ans diesem saugt der zweite Zylinder an, verdichtet die Luft weiter und drückt sie in einen zweiten (ebenfalls zu kühlenden) Behälter ; aus diesem säugt der dritte Zylinder die Luft an usw.
Will man mit dieser Steuerung einen Enddruck von zum Beispiel 8 Atm. abs. erhalten-ein Luftdruck, wie er häufig im bergmännischen Kompressorenbetrieb gebraucht wird--so verteilt man die Gosamtverdichtung auf drei hintereinander geschaltete Zylinder und verdichtet im ersten, aus dem Freien ansaugenden Zylinder die
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wie Luftdruckdiagramm (Fig. 3) bleiben dabei für alle drei Zylinder genau die gleichen.
Ebenso bleibt die allgemeine Einrichtung von Zylinder und Steuerung nach Fig. 1 auch für alle drei Stufen die gleiche, nur dass die Zylinder und ihre Steuerungen je in den folgenden Stufen nach Massgabe der durch die stufenweise Verdichtung bewirkten Volumenverminderung der Luft kleiner werden.
Hat die aus dem Freien angesaugte Luft eine Temperatur von z. B. 200 C, so wird sie sich in obigem Beispiel bei dem für alle drei Zylinder gleichen Druckverhält-
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dieser letzten Zylinder auf 1100 C. Das sind so mässige Temperaturen, dass von einer Kühlung der Luft. und Steuerzylinder, die auch bei den hier in Betracht kommenden hohen Umlaufszahlen soviel wie wirkungslos bleiben würde, abgesehen werden kann, und es genügt, die Verdichtungswärme der Luft nur in den Zwischenbehältern zu entziehen.
Bei den hohen Umlaufszahlen werden auch im Kolbenschieber starke Massenwirkungen hervorgerufen, die sich durch das Gestänge auf den Exzenter oder die den Schieber bewegende Kurbel übertragen. Um diese Massenwirkung des Kolbenschiebers auf sein Gestänge usw. bedeutend herabzumindern, ist folgende Einrichtung getroffen : Wenn der eine, z.
B. linksseitige, I (olben 1c des Kolbenschiebers auf seinem Wege nach links die linksseitige Ansaugöffnung s abgeschlossen hat (diese Stellung ist in Fig. 4 dargestellt), so dringt er
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dicht in einen allseitig geschlossenen Raum b ein und verdichtet die in diesem Raume enthaltene Luft von ihrer Anfangsspannung Po. die gleich der beständigen Saugspannung p0 im Ansaugeraum s ist, auf eine höhere Spannung, wobei der Rückdruck dieser verdichteten
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aufzubringen ist.
Bei der Rückbewegung des Kolbenschiebers (also aus Stellung nach Fig. 1 in Stellung nach Fig. 4) expandiert die im Raum b eingeschlossene verdichtete Luft wieder auf ihre ursprüngliche Anfangsspannung o zurück und wirkt nun auf die Massen des Kolbenschiebers in gleichem Grade beschleunigend, wie sie vorher verzögernd eingewirkt hatte, so dass nicht die ganze Beschleunigungskraft vom Schieberexzenter oder der Schieberkurbel hergegeben werden muss. Die Grösse des allseitig abgeschlossenen Ver- dichtungsraumes bemisst man zweckmässig so, dass die Luft am Ende des Schieberhubes soweit verdichtet ist, dass sie auf den Schieber eineu Rückdruck ausübt, der gleich oder annähernd gleich ist dem Massendruck des Schiebers am Hubende.
Zeichnet man (Fig. 5) nach den bekannten Regetn das Massendruckdiagramm des Schiebers auf, und zwar unter der vereinfachenden Voraussetzung sehr langer Exzenterstangen, unter der die Massendruckkurve in eine Gerade übergeht, so würde ohne die durch die Verdichtungsräumo b geschaffenen Luftkissen der Massendruck nach Massgabe der Ordinaten der beiden rocht- winkligen Dreiecke verlaufen, also am Anfang des Schieberhubes mit dem Drucke - P
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druck nach den Ordinaten der schraffierten Fläche des Massendruckdiagrammes (Fig. er wird also ganz bedeutend kleiner.
Hei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform von Arbeitszylinder mit Differentialkolben und zugehöriger Steuerung ist der Fall angenommen, dass in diesem Arbeitszylinder die zweite und dritte Stufe der Verdichtung vorgenommen wird, während die erste Verdichtung in einem doppeltwirkenden Zylinder nach Fig. 1 oder auch sonst in einem beliebigen Kompressor bewirkt wird. Die beiden Steuerkolben k und ebenso der Winkel, um den Antriebsexzenter oder antriebskurbel des ganzen Kolbcnschiebers gegenüber der Arbeitslurbel versetzt ist, entsprechen der Ausführung nach Fig. 1 usw.
Infolgedessen gelten die Diagramme nach Fig. 3, sowohl Zeunersches Schieberdiagramm wie das Luftdruckindikatordiagramm, auch ganz genau sowohl für die rechte wie für die linke Seite des
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Druckkanal nicht eher frei, als bis die Luft vor dem Arbeitskolben, und zwar auf jeder Seite dieses Kolbens, annähernd die der zugehörigen Verdichtungsstufe zukommende Druckspannung erreicht hat, und auch hier bleibt der Kanal für die Ansaugung der Luft, eben-
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Während so die Steuerkolben k und ihre Arbeitsweise ganz die gleichen wie bei der Ausführung nach Fig. 1 geblieben sind, treten aber hier noch zwei weitere Kolben f und 9 im Steuerzylinder und ein Umführungsrohr h an demselben hinzu. Der Kolben,/'
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bezweckt, den Druckraum des zweiten Kompressors, in dem nach dem gewählten Beispiele ein Druck von 4 Atm. herrscht, von dem Druckraum des dritten Kompressors (8 Atm.) abzuscheiden. Der Kolben 9 hat den Zweck, den Saugraum des dritten Kompressors, der mit dem Druckraum des zweiten Kompressors in Verbindung steht, in welchen beiden Räumen also gleicher Druck herrscht, nach links hin abgeschlossen zu halten.
Und indem man nun durch das weiter angebrachte Umführungs-oder Verbindungsrohr h den Druck der Saugluft (2 Atm. ) des zweiten Kompressors auf die linke Seite des Kolbens g leitet, wird der sonst einseitige Luftdruck in der Richtung der Kolbenschieberachse auf das ganze System der miteinander verbundenen vier Kolben im Steuerungszylinder aufgehoben. Auch die erwähnten Pufferräume b an den beiden Enden des Steuerzylinders lassen sich hier anbringen.
In dem besonderen Falle, wo in dem zweistufigen Kompressor mit Differentialkolben die erste und zweite Stufe der Verdichtung bewirkt werden soll, wo also die rechte Seite des Arbeitskolbens die Luft aus dem Freien ansaugt, herrscht rechts vom rechtsseitigen Stenerkolben k der Druck von 1 Atm., d. h. der freie Luftdruck ; dieser würde dann durch das Umführungsrohr h auch auf die linke Seite des Kolbens 9 geleitet und es wUrde dort also ebenfalls der Druck der Aussenluft herrschen. In diesem besonderen Falle kann man sowohl den rechts-wie den linksseitigen Zylinderdeckel am Steuerungszylinder weglassen, es entfällt dann auch das Umführungsrohr 11 und bleibt der ganze Kolbenschieber 9 k f k doch ausgeglichen. Dagegen würden damit auch die Pufferräume b und deren Wirkung wegfallen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Kolbenschiebersteuerung für Kompressoren, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einem gemeinschaftlichen Gestänge sitzenden Steuerkolben den Druckkanal am Zylinder nicht eher frei geben, als bis die Luft vor dem Kolben im Arbeitszylinder annähernd die Druckspannung erreicht hat, so dass Hilfsventil wegfallen und die Maschine unmittelbar durch einen schnellaufenden Motor (Elektromotor, rotierende Dampfmaschine oder dgl.) angetrieben werden kann.