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Drehkolbengebläse mit zwei zusätzlichen, auf der Druckseite des
Gebläses angeordneten Drehschiebern
Das übliche Roots-bzw. Drehkolben-Gebläse hat neben seinen vielen Vorteilen unter anderem auch einen sehr grossen charakteristischen Nachteil, nämlich den der isochoren Verdichtung. Wenn der Drehkol- ben durch fortlaufende Drehung die Kante des Auslasses überschreitet und dadurch die transportierte Kam- mer mit Luft vom Ansaugezustand mit dem Druckraum in Verbindung bringt, stürzt, entgegen der eigent- lichen Strömungs- und Bewegungsrichtung, verdichtete Luft vom Ausblas-Zustand in die Förderkammer und verdichtet diese durch Vermischung. Dieser Vorgang hat zur Folge, dass sich der Wirkungsgrad dem idealen, adiabatischen Hub-Kolben-Wirkungsgrad gegenüber stark verschlechtert.
Diese Verschlechterung nimmt mit steigendem Druckverhältnis zu, so dass bei einem gewissen Druckverhältnis (in der Praxis etwa 1, 8) bald eine obere Wirtschaftlichkeitsgrenze gegeben ist.
In der Vergangenheit hat man durch verschiedene andere Bauarten, wie Ljungström oder ZollerWittig der auch durch unsymmetrische oder ungleiche Drehkolbenformen versucht, diesen ausschlaggebenden Nachteil des Drehkolben-Gebläses zu beseitigen. Dabei ist man immer mehr von der bestechend einfachen, lemniskatenförmigen, ursprünglichen Rootsform abgekommen. Die so entstandenen Drehkolbenformen sind durchwegs wesentlich schwieriger zu bearbeiten und verkomplizieren den bisher so einfachen Aufbau.
Aus den oben beschriebenen Gründen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Drehkolbengebläse mit innerer Verdichtung in der Förderkammer unter Beibehaltung der ursprünglichen, lemniskatenartigen Roots-Form zu ermöglichen.
Das an sich bekannte Drehkolbengebläse hat hiebei zwei zusätzliche, auf dessen Druckseite angeordnete Drehschieber, die jeweils in die noch vom Druckraum getrennte, vom Saugraum abgeschlossene Förkammer eintauchen und durch die Verdrängung der eingetauchten Volumina eine innere Verdichtung der ungeöffneten Förderkammer erreichen.
Gelöst wurde das Problem erfindungsgemäss dadurch, dass die beiden Drehschieber mit den dazugehörigen Drehkolben so gekuppelt sind, dass alle mit der gleichen Drehzahl bzw. mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit verlaufen, und dass die sich mit den Drehkolben berührenden Flächen des Drehschiebers die gleiche Profilform wie die Mittelteile der Drehkolben aufweisen. Die eigentlichen Förderkolben haben irgendeine im Roots-Gebläse-Bau übliche Profilform. Die Drehschieber haben ebenfalls dieselbe Profilform der Förderkolben bis zu ihrem äusseren Radius, wo sie kreisförmig abbrechen.
Zusätzlich können auch jeweils die zwei gegenüberliegenden scharfen Nacken in einem beliebigen Abrundungsradius weggenommen, werden. Dadurch erhalten die Drehschieber eine schaufelähnliche Form, die nach dem Öffnen der Förderkammern nach dem Auslass hin eine schaufelnde Bewegung ausführen und auf das geförderte Medium im Druckraum und im Auslass Fortbewegungsimpulse ausüben, die das Aussto- ssen aus dem Gebläse unterstützen.
In den Zeichnungen werden von Fig. l bis Fig. 14 die wichtigsten Stellungen im Verlauf einer halben Drehung dargestellt und damit das einwandfreie Funktionieren des Erfindungsgegenstandes bewiesen. In den Zeichnungen bedeuten : 1 das Gebläsegehäuse, in welchem vier Kolben, u. zw. der linke Förder-
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schöpfende Wirkung den Ausschubvorgang unterstützt.
Fig. 6-72 (252 ) : Auf der linken Geblä eseite hat die scharfe Kante 10 des Drehschiebers 4 eine neue Drehschieberkammer 16 gebildet, die nun im Verlauf der weiteren Drehung vom Druckraum in den Gebläseraum gefördert wird. Drehschieberkammer 14 und Förderkammer 8 haben Verbindung gefunden und die pneumatische Vorverdichtung hat stattgefunden. Drehkolben 2 und Drehschieber 4 dichten während dieses Vorganges gegen den Druckraum 17 ab, so dass eine ungestörte adiabatische
Verdichtung der Förderkammer 8 stattfinden kann.
Fig. 7 - 820 (2620) : Der linke Drehschieber 4 hat die Begrenzungslinie des Drehkolbenraumes er- reicht. Der Form nach ist nun der Zustand des bisherigen Roots-Gebläses hergestellt. Im thermodynami- schen Zustand ist jedoch bereits in der linken Förderkammer 8 eine pneumatische Vorverdichtung durchgeführt worden. Von hier ab taucht bei weiterer Drehung die scharfe Kante 11 des Drehschiebers
4 in die Förderkammer 8 ein und verdichtet diese weiter. (Eine zusätzliche Verdichtung durch Ver- drängung hat natürlich schon von Fig. 5 (63 ) ab stattgefunden, denn auch die dortige Förderkammer 14 ist ja schon verdrängt worden.) Die ideale adiabatische Verdichtung ist also in vollem Gange. Die untere, linke Drehschieberkammer 16 ist ein Stück weiter transportiert worden.
Auf der rechten Gebläseseite ist der Ausschubvorgang weiter fortgeschritten.
Fig. 8-105 (285 ) : Eine Zwischenstellung, die das Eintauchen des Drehschiebers 4 in die För- derkammer 8 verdeutlichen soll. Man sieht deutlich, wie die Förderkammer 8 um ein beträchtliches Stück kleiner geworden ist.
Fig. 9-127 (307 ) : Auf der linken Gebläseseite ist wieder das Ende der adiabatischen Verdichtung erreicht. Wie bei Fig. 3 auf der rechten Seite haben jetzt auf der linken Seite Drehkolben 2 und Drehschieber 4 ihre letzte Berührungsstellung erreicht. Im nächsten Augenblick werden sie sich bei weiterer Drehung voneinander entfernen. Damit wird dann (s. Fig. 10) die Verbindung zwischen Förderkammer 8 und Druckraum 17 hergestellt. Der Drehschieber 4 ist also maximal in die Förderkammer 8 eingetaucht und der Verdichtungsvorgang ist beendet. Auf der rechten Gebläseseite wieder nähert sich eine neue Förderkammer 19 dem Abschluss. Ebenfalls bildet sich eine neue Drehschieberkammer 18.
Fig. 10-145 (325 ) : Die linke Drehschieberkammer 16 ist gerade noch abgeschlossen und wird bei weiterer Drehung gegen die Förderkammer 8, da diese aber schon mit dem Druckraum 17 in Verbindung steht, also gegen den Druckraum 17 hin öffnen. Wieder tritt, wie bei Fig. 4 schon gesagt, dadurch keine Zustandsänderung ein. Die Förderkammer 8 hat bereits geöffnet und es findet jetzt, im Gegensatz zu dem bisher üblichen Drehkolbengebläse, eine ideale arbeitsfreie Verdrängung ohne Rückströmung der verdichteten Luft in die Förderkammer statt, weil die sich öffnende Förderkammer bereits auf den Enddruck verdichtet ist.
Fig. 11-153 (333 ) : Hier liegt wieder die wichtigste Stellung, jetzt aber auf der rechten Seite des Gebläses. Es gilt jetzt hier das, was bei Fig. 5 für die linke Seite gesagt wurde, analog für die rechte Gebläseseite. Also Förderkammer 19 hat gegen den Saugraum 6 abgeschlossen und wird bei weiterer Drehung im nächsten Augenblick gegen die Drehschieberkammer 15 öffnen. Die Drehschieberkammer 15 ist aber wieder durch die von hier ab beginnende Berührung zwischen Drehkolben 3 und Drehschieber 5 vom Druckraum 17 getrennt worden. Somit sind die erforderlichen Bedingungen für die pneumatische Vorverdichtung gegeben.
Fig. 12-162 (342 ) : Auf der rechten Gebläseseite hat die scharfe Kante 12 des Drehschiebers 5 eine neue Drehschieberkammer 18 abgeschlossen, die nun im weiteren Verlauf der Drehung, wie schon oben beschrieben, "tot" transportiert wird. In die Förderkammer 19 hinein hat die pneumatische Vorverdichtung stattgefunden und die Verdrängungsverdichtung durch das Eintauchen des Drehschiebers 5 in die Förderkammer 19 beginnt. Auf der linken Gebläseseite wird der Ausschub der Förderkammer 8 fortgesetzt.
. Fig. 13-1720 (3520) : Auf der rechten Gebläseseite hat der Drehschieber 5 die Begrenzungslinie des Drehkolbenraumes erreicht. Die Ausführungen wie in Fig. 7 für die linke Seite können hier analog für die rechte Seite übernommen werden.
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- 1800 (360Verdichtungsablauf beginnt von neuem.
Durch Vergrösserung und Verkleinerung der Drehschieber sowie durch eine Überverdichtung in der Schieberkammer, wie bei Fig. 4 schon beschrieben, also durch früheres Anschmiegen des Drehschiebers an den Drehkolben kann jede beliebige Endverdichtung in der inneren, ungeöffneten Förderkammer erreicht werden. Da der bisherige isochore Wirkungsgrad des Roots-Gebläses aber gegenüber dem idealen
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adiabatischen Wirkungsgrad schon bei einem Druckverhältnis von 1, 7 um 20% und bei einem Druckver- hältnis von 2,5 um 30% schlechter ist, m, us mit dieser Erfindung die besagte Differenz gewonnen werden.
Die beispielsweise in den Zeichnungen dargestellten Drehschieber werden von den gleichen Zahnrädern wie die Drehkolben selbst angetrieben, u. zw. jeder Drehschieber von einem Drehkolben. Die Drehschieber laufen also mit der gleichen Drehzahl, mit der die Drehkolben betrieben werden.
Wenn in dieser Beschreibung oder in den nachfolgenden Patentansprüchen von einer Berührung zwischen den Drehkolben oder zwischen Drehkolben und Drehschieber gesprochen wird, so ist diese Ausdruckweise der Einfachheit halber nur sinnbildlich verwendet. Wie in der Technik des Drehkolbengebläsebaues bekannt, darf in der Praxis natürlich nie eine Berührung zwischen den Rotoren stattfinden, sondern in je- der "Berührungsstellung" müssen die Rotoren um bestimmte Bruchteile eines Millimeters voneinander entfernt sein. Dieser Zwischenraum, den man auch "Schlitz" oder "Spiel" nennt, ist hier bei den theoretischen Betrachtungen vernachlässigt worden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Drehkolbengebläse mit zwei zusätzlichen, auf der Druckseite des Gebläses angeordneten Drehschiebern, die jeweils in die noch vom Druckraum getrennte, vom Saugraum abgeschlossene Förderkammer eintauchen und durch die Verdrängung der eingetauchten Volumina eine innere Verdichtung der ungeöffneten Förderkammer erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Drehschieber (4, 5) mit den zugehörigen Drehkolben (2,3) so gekuppelt sind, dass alle mit der gleichen Drehzahl bzw. mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit umlaufen, und dass die sich mit den Drehkolben berührenden Flächen des Drehschiebers die gleiche Profilform wie die Mittelteile der Drehkolben aufweisen.