Mehrstufiger Verdichter. Der Aufbau mehrstufiger Hochdruckver dichter üblicher Bauart ist stets gekennzeich net durch die Verwendung von mehrfach ab gestuften Kolben, wobei die arbeitenden Kol benflächen der einzelnen Stufen (bis auf die letzte) durch Ringflächen verschiedener Breite und verschiedenen Durchmessers ge bildet werden. Dabei ist die durch Kolben ringe abzudichtende Spaltlänge und damit die Undichtigkeit bei einer Ringfläche stets erheblich grösser als bei einer flächengleichen Kreisscheibe.
Diese allgemein gebräuchliche Anordnung hat verschiedene beträchtliche Nachteile: Die Ringflächen der einzelnen Stufen müssen so auf die Vorder- und Rückseite des Kolbens verteilt werden, dass zwecks gün stiger Ausnützung des Kurbeltriebwerkes die Summe aller Kräfte in der einen Totpunkt lage möglichst genau gleich der Summe aller Kräfte in der andern Totpunktlage wird;
dabei lässt es sich meist nicht vermeiden, dass ein Ringraum übrig bleibt, der keiner Stufe zugehörig ist und in welchem das Gas, ohne verdichtet zu werden, nutzlos aus- und ein ;gesohoben wird; die unvermeidliche Erwär mung dieses hin- und hergeschobenen Gases verschlechtert den Liefergrad der folgenden Stufe.
Da die Länge jeder einzelnen Abstufung des Kolbens mindestens so .gross sein muss, wie der Hub plus der Länge der Kolbenring partie, so erhält der ganze Kolben eine ausserordentliche Baulänge, und die Festig- keitsverhältnisse für diesen verwickelt ge stalteten Hohlkörper werden durch den grossen Durchmesser sehr ungünstig.
Die grosse Baulänge verlangt unter allen Umständen eine liegende Anordnung der Ma- schine. Damit werden aber meist besondere )Massnahmen notwendig, um,das Gewicht des hin- und hergehenden Kolbens zu tragen und dabei den Verbiegungen gerecht zu werden, die durch die grosse Baulänge unvermeidlich sind.
Ausserdem verursacht dieser schwere Kol- gen unausgeglichene Massenkräfte, die sich im Betrieb sehr unangenehm auswirken. Schliesslich wird die Zugänglichkeit einer derartigen Maschine sehr schlecht, da man meist die Hälfte der übereinandergeschalteten Zylinder abnehmen muss, um den Kolben freizulegen.
Die nachstehend beschriebene Erfindung ermöglicht die vollkommene Vermeidung all dieser Übelstände und erlaubt dem Konstruk teur eine wesentlich grössere Freiheit in der Gestaltung.
Gemäss dieser Erfindung wird in einem doppeltwirkenden Zylinder der Arbeitsraum auf der Deckelseite für die erste Stufe, der Arbeitsraum auf der Stopfbüchsenseite für die zweite Stufe benützt, so dass im Gegen satz zur gebräuchlichen Bauweise Hub und Bohrung für die erste und zweite Stufe gleich sind. Durch eine entsprechende starke Vergrösserung des schädlichen Raumes und der dadurch bedingten Rückexpansion wird das wirkliche Fördervolumen der zweiten Stufe auf denjenigen Bruchteil des Förder- volumens der ersten verringert, der durch das Druckverhältnis gegeben ist.
Dieser Zylinder, der auf den beiden Kolbenseiten die erste und die zweite Stufe enthält, ist im folgenden der Einfachheit halber als #Niederdruckzylin- der" bezeichnet. Die Zylinder der dritten und höheren Stufe sind einfachwirkend und auf den Deckel des Niederdruckzylindern so aufgesetzt, dass die Gasdrücke auf die Kolben dieser Stufen dem Gasdruck der zweiten Stufe entgegenwirken und so einen Ausgleich der Stangendrücke in beiden Totpunktlagen herbeiführen.
Durch diese Anordnung fällt die sonst erforderliche Abstufung des Kolbens zwi schen den Arbeitsflächen der ersten und der zweiten Stufe ebenso fort wie die nutzlose Ringfläche, die durch die Abstufung zwi schen den beiden Arbeitsflächen entstehen würde. Der Niederdrucklikolben wird bei spielsweise um mehr als eine Hublänge ver kürzt; er kann als offener Topfkolben aus geführt werden, in dessen Hohlraum der grösste Teil des benötigten schädlichen Rau mes für die zweite Stufe zwanglos unter gebracht werden kann und der durch sein ge ringeres Gewicht kleinere Massenkräfte er gibt.
Die Verkürzung der Baulänge macht eine stehende Bauart der Maschine möglich, wo durch das Kolbengewicht nicht mehr von der Zylinderlaufbahn getragen werden muss, die Schmierung verbessert wird und jeder ein seitige Verschleiss wegfällt. Jedoch ist eine liegende Anordnung selbstverständlich auch möglich.
Einige Ausführungsformen des Erfin dungsgedankens sind in Fig. 1 bis 3 schema tisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine dreistufige Maschine mit einem doppeltwirkenden Zylinder 1. Auf der Seite des Deckels 2 dieses Zylinders 1 be findet sieh die erste Stufe A und auf der Stopfbüchseniseite die zweite Stufe B. Auf den im Zylinder 1 'befindlichen Niederdruck- kolben 3 ist der einfachwirkende Kolben 4 der dritten Stufe C so aufgesetzt, dass durch das Gegeneinanderwirken der Gasdrücke der ersten und .dritten Stufe einerseits und der zweiten Stufe anderseits der Ausgleich der Stangenkräfte in beiden Totpunktlagen er reicht wird.
Fig. 2 zeigt eine vierstufige Maschine, bei welcher auf den Kolben 4 der dritten Stufe C noch ein weiterer Kolben 5 für die vierte Stufe D aufgesetzt ist. Es ist ohne weiteres klar, dass man in derselben Weise auch Ver dichter mit noch höheren Stufenzahlen auf bauen kann, bei denen alle höheren Stufen so auf dem Deckel 2 des N iederdruckzylin- ders 1 aufgebaut sind,
dass ihre Gasdrucke zusammen mit dem Gasdruck der ersten Stufe der zweiten Stufe zum Ausgleich der Stangenkräfte in beiden Totpun.ktla.gen ent- gegenwirken.
Wenn man die Leistung der beiden ersten Stufen auf mehrere untereinander gleiche Niederdruckzylinder verteilt, and auf jeden dieser Niederdruckzylinder einen Hochdruck zylinder aufsetzt, erhält man eine Mehr- kurbelmaschine von besonders vorteilhaftem und weitgehend symmetrischem Aufbau.
Fig. 3 zeigt dies am Beispiel einer drei- kurbeligen fünfstufigen Maschine. Die dritte; vierte und fünfte Stufe C, D und E sind hier auf drei Niederdruckzylindern 1 so angeord net, dass wieder jeweils ein einfachwirkender Hochdruckkolben 6, 7, 8 zusammen mit dem Gasdruck der ersten Stufe einem Kolben 3 der zweiten Stufe entgegenwirkt. Damit wird auch hier der Ausgleich der (Stangenkräfte in beiden Totpunktlagen erzielt; überdies sind die Stangenkräfte der einzelnen Kurbeln untereinander gleich, da auf die kleineren Kolben der höheren Stufen ein entsprechend höherer Gasdruck wirkt. Mit Ausnahme der verschiedenen Durchmesser der drei letzten Stufen wird die Maschine in ihrem Aufbau also völlig gleichmässig.
Es ist klar, dass dieser Aufbau auch für andere Stufenzahlen angewendet werden kann, wobei die Zahl der Niederdruckzylin der immer um zwei kleiner ist als die Zahl der Stufen. Beispielsweise würde ein vier stufiger Verdichter nach diesem Schema zwei Kurbeln und zwei Niederdruckzylinder, ein sechsstufiger vier Kurbeln und Niederdruck zyliuder erhalten.
Es ist ferner klar, dass man die Kurbel zahl dieser Maschinen durch mehrfaches An einanderreihen verdoppeln oder verdrei fachen kann. Beispielsweise könnte man durch zweifaches Aneinanderreihen der Ma schine von Fig.3 eine sechskurbelige fünf stufige Maschine schaffen.
Weitere Kombinationen sind bei solchen Mehrkurbelmaschinen möglich, wenn man auf einige oder alle Niederdruckzylinder je zwei oder mehr Hochdruckzylinder (ähnlich Fig. 2) aufsetzt. Es ist bei derartigen Mehr kurbelmaschinen leicht zu erreichen, dass die einzelnen Hochdruckkolben trotz ihrer ver schiedenen Durchmesser das gleiche Gewicht erhalten, indem man sie als Hohlkörper mit verschiedener Wanddicke ausführt. Dadurch lässt sich, je nach Kurbelzahl und Kurbel- versetzung, ein weitgehender Massenausgleich verwirklichen.
Multi-stage compressor. The structure of multi-stage high-pressure compressor of the usual type is always marked by the use of multiple pistons from stepped, the working Kol benflächen the individual stages (except for the last) by annular surfaces of different widths and different diameters are formed ge. The gap length to be sealed by piston rings and thus the leakage in the case of an annular surface is always considerably greater than in the case of a circular disk of the same area.
This commonly used arrangement has several considerable disadvantages: The ring surfaces of the individual stages must be distributed over the front and back of the piston in such a way that the sum of all forces in the one dead center position is as exactly as possible the sum of all forces for the purpose of beneficial utilization of the crank mechanism in the other dead center position;
In doing so, it is usually unavoidable that an annular space remains that does not belong to any stage and in which the gas, without being compressed, is uselessly sucked out and in; the inevitable heating of this gas pushed back and forth worsens the degree of delivery of the following stage.
Since the length of each individual step of the piston must be at least as large as the stroke plus the length of the piston ring section, the entire piston is extraordinarily long, and the strength ratios for this intricately designed hollow body are due to the large diameter very inconvenient.
The large overall length requires a horizontal arrangement of the machine under all circumstances. However, this usually means that special measures are necessary in order to bear the weight of the reciprocating piston and to cope with the bending that is unavoidable due to the large overall length.
In addition, this heavy piston causes unbalanced inertia forces, which have a very unpleasant effect during operation. Ultimately, the accessibility of such a machine becomes very poor, since one usually has to remove half of the cylinders, which are connected one above the other, in order to expose the piston.
The invention described below allows the complete avoidance of all these inconveniences and allows the constructor a much greater freedom in design.
According to this invention, in a double-acting cylinder, the working space on the cover side is used for the first stage and the working space on the stuffing box side is used for the second stage, so that, in contrast to the conventional design, stroke and bore are the same for the first and second stages. By correspondingly strong enlargement of the harmful space and the resulting re-expansion, the actual delivery volume of the second stage is reduced to that fraction of the delivery volume of the first that is given by the pressure ratio.
This cylinder, which contains the first and second stages on both piston sides, is referred to below for the sake of simplicity as the "low-pressure cylinder". The cylinders of the third and higher stage are single-acting and are placed on the cover of the low-pressure cylinder in such a way that the Gas pressures on the pistons of these stages counteract the gas pressure of the second stage and thus equalize the rod pressures in both dead center positions.
This arrangement eliminates the otherwise necessary gradation of the piston between the working surfaces of the first and second stages as well as the useless annular surface that would arise from the gradation between tween the two working surfaces. The low-pressure piston is shortened by more than one stroke length, for example; it can be designed as an open pot-type flask, in the cavity of which most of the harmful space required for the second stage can be accommodated freely and which, due to its lower weight, gives smaller inertia forces.
The shortening of the overall length makes a standing design of the machine possible, where the piston weight no longer has to be borne by the cylinder liner, the lubrication is improved and there is no wear and tear on either side. However, a horizontal arrangement is of course also possible.
Some embodiments of the inven tion concept are shown schematically in Figs. 1 to 3.
1 shows a three-stage machine with a double-acting cylinder 1. On the side of the cover 2 of this cylinder 1 see the first stage A and on the stuffing box side the second stage B. On the low-pressure piston 3 located in the cylinder 1 ' the single-acting piston 4 of the third stage C placed in such a way that the counteracting of the gas pressures of the first and third stage on the one hand and the second stage on the other hand balances the rod forces in both dead center positions.
2 shows a four-stage machine in which a further piston 5 for the fourth stage D is placed on the piston 4 of the third stage C. It is immediately clear that one can also build compressors with an even higher number of stages in the same way, in which all higher stages are built up on the cover 2 of the low-pressure cylinder 1,
that their gas pressures together with the gas pressure of the first stage counteract the second stage to compensate for the rod forces in both dead points.
If the output of the first two stages is distributed over several equal low-pressure cylinders, and a high-pressure cylinder is placed on each of these low-pressure cylinders, a multi-crank machine of particularly advantageous and largely symmetrical design is obtained.
3 shows this using the example of a three-crank, five-stage machine. The third; fourth and fifth stage C, D and E are arranged here on three low pressure cylinders 1 so that a single-acting high pressure piston 6, 7, 8 together with the gas pressure of the first stage counteracts a piston 3 of the second stage. This also balances the rod forces in both dead center positions; the rod forces of the individual cranks are also equal to one another, since a correspondingly higher gas pressure acts on the smaller pistons of the higher stages. With the exception of the different diameters of the last three stages, the machine is so completely even in their structure.
It is clear that this structure can also be used for other numbers of stages, the number of Niederdruckzylin is always two less than the number of stages. For example, a four-stage compressor according to this scheme would receive two cranks and two low-pressure cylinders, and a six-stage four cranks and low-pressure cylinder.
It is also clear that you can double or triple the number of cranks on these machines by lining them up several times. For example, one could create a six-cranked five-stage machine by lining up the machine twice in FIG.
Further combinations are possible with such multi-crank machines if two or more high-pressure cylinders (similar to FIG. 2) are placed on some or all of the low-pressure cylinders. With such multi-crank machines, it is easy to achieve that the individual high-pressure pistons receive the same weight despite their different diameters by designing them as hollow bodies with different wall thicknesses. In this way, depending on the number of cranks and the crank offset, extensive mass balancing can be achieved.