-
Flüssigkeitsringverdränger als Verdichter, Entspanner, Vakuumpumpe
sowie als Verdichter-Entspanner-Kombination Die Erfindung bezieht sich auf einen
mit einem Flüssigkeitsring arbeitenden Verdränger, der als Verdichter, Entspanner
und Vakuumpumpe sowie als Kombination dieser Maschinenformen, z. B. als Verdichter/Entspanner
arbeitet.
-
Es sind Verdränger bekannt, bei denen ein Zellenrad durch seine Drehung
in einer runden, ruhenden Gehäusewanne Wasser in Kreisströmung versetzt, so daß
ein Wasserring entsteht, der zufolge exzentrischer Lage des Zellenrades gegenüber
der Gehäusewanne bei Drehung des Zellenrades auf die in den Zellen befindliche Luft
verdichtend bzw. evakuierend wirkt. Da das Wasser in diesen Gehäusewannen eine Kreisströmungsbewegung
ausführt, werden diese »Wasserrundläufe« im folgenden Hydrodrome genannt. Derartige
Hydrodromverdränger arbeiten nur mit niedrigem Druck, da der hydrodynamische (im
vorliegenden Falle Wasser-Kreisströmungs-) Verlust in der dritten Potenz der Drehzahl
wachsend die nur nahezu proportional der Drehzahl wachsende thermodynamische (=
Luftverdichtungs-) Leistung rasch einholt und überholt, wobei der Wirkungsgrad sich
verschlechtert, bevor der Wasserring eine für höheren Verdichtungsdruck genügende
Fliehkrafthärte erreicht hat. Außerdem haben derartige Hydrodromverdränger den Nachteil,
daß einerseits der Wass.erringspiegel nicht zentrisch liegt, sondern bei geraden
Schaufeln nach der Druckseite, bei den üblichen voreilend gekrümmten Schaufeln nach
der Ablaufseite verzerrt wird, was an einer mit Glasstirnwand versehenen Maschine
im Blitzlicht-Stroboskop erkennbar ist, während andererseits in allen Hydrodromverdrängern
zufolge der gegenüber der Wasserring-Kreisströmung des Wassers zu geringen Fliehkraft
außerordentlich starke Turbulenz herrscht, wobei der Wasserspiegel in sprühende
Gischt aufgelöst wird, was man auch ohne Stroboskop hinter der Glasstirnwand deutlich
sehen kann.
-
Der bekannte und mehrmals gemachte Vorschlag, diese ungünstigen Verhältnisse
des Hydrodromverdrängers dadurch zu verbessern, daß man die Wasserringwanne drehbar
anordnet, so da.ß sie im Freilauf von der Wasserringströmung mitgeschleppt wird,
sobald die Strömungsarbeit größer als die Lagerreibung der Freilaufwanne wird, hat
sich als nicht brauchbar erwiesen, weil beim Start noch kein Wasserring vorhanden
ist und die Wanne überhaupt nicht anläuft, sondern mit zusätzlichen Mitteln gestartet
werden müßte. Außerdem ist die Leistung solcher Freilaufwannenverdränger nicht wesentlich
besser als die von Hydrodromverdrängern, wenigstens ist die Schaufel-Tauch-Arbeit
und Schaufel-Schwenk-Arbeit im Wasserring bei den bekannten Hydrodrom-Zellenrädern
mit ihren ungünstig gekrümmten und tief tauchenden Schaufeln größer als die Wasserring-Kreisströmungsarbeit,
so daß der Freilaufwannenverdränger in Drehzahl (= Druck) nicht wesentlich über
den Hydrodromverdränger hinauskommt.
-
Das Ziel des Erfindungsgegenstandes war es, dien Wasserringverdränger
hydrodynamisch zu verbessern, was eine Umkonstruktion des mechanischen Teils erfordert.
Es galt, ihn für höhere Drücke brauchbar zu machen, die Wasserspiegelverzerrung
zu beseitigen und möglichste Wasserruhe zu erreichen. Vordringlich war aber die
»Härtung« des Wasserrings. Erreicht wurde dieses Ziel dadurch, d@aß das Zellenrad
nicht auf einem fest im Raume ruhenden, sondern auf einem um die Wannenachse kurbelnden
Zapfen angeordnet wird. Hierdurch wird es möglich, zwecks Erreichung hoher Fliehkraft
die Wannendrebzabl beliebig zu steigern unabhängig von der Förderdrehzahl, die aus
hydrodynamischen Gründen nicht im selben Maße erhöht werden darf. Wenn beispielsweise
ein Hydrodromverdränger zufolge der mit der Drehzahl stark wachsenden Wasserring-Kreisströmungsverluste
bei 1000 U/min des Zellenrades wegen Erreichung der Wirkungsgradgrenze nicht über
1 atü Verdichtungsdruck kommt, so läßt sich bei erfindungsgemäßer Zellenradlagerun@g
auf Kurbelzapfen die Drehzahl (und damit der Druck) auf das Vielfache steigern,
z. B. auf 3000 und 4000 Wannenumdrehungen/min, was einen Druck von etwa 16 atü ergibt.
Dabei entsteht eine Wirkungsgradverbesserung, weil sich der Druck im Quadrat der
Drehzahl ändert, wodurch die Verdichtungsleistung auf das Vielfache steigt, während
die kinematische Zähigkeit des Wassers durch den Druck
nicht geändert
wird und die hydrodynamischen Verluste zufolge gleichbleibender Förderdrehzahl unverändert
bleiben, d. h. nicht ebenfalls wachsen. Die Drehzahl einer solchen erfindungsgemäß
mit kurbelndem Zellenradlagerzapfen ausgestatteten Maschine wird nicht mehr hydrodynamisch
begrenzt, sondern kann bis an die Festigkeitsgrenze des Wannenwerkstoffes gesteigert
werden. Allerdings ist wegen der Freilaufwanne noch eine Starthilfe notwendig. Außerdem
verursacht die Mitnahme der Freilaufwanne durch den Wasserring noch ei=ne starke
@Vasserring-Kreisströmung, die den Wasserspiegel verzerrt, welche Verzerrung zwar
mit wachsender Wasserringhärte immer geringer wird, dafür nimmt aber die für die
Mitnahme der Freilaufwanne notwendige Wasserring-Kreisströmungs-Schlepparbeit mit
wachsender Drehzahl zu. Der erfindungsgemäß mit kurbelndem Zellenradlagerzapfen
ausgestattete Freilaufwannenverdränger arbeitet also noch mit geringer Wasserringverzerrung
und Oberflächenturbulenz, jedoch ist die Maßnahme des kurbelnden Zapfens die einzige
Möglichkeit, um »harte« Verdränger-Wasserringe zu erzeugen, d. h. solche, bei denen
das Fliehgewicht des Wassexs am Wasserspiegel das Mehrtausendfache gegenüber der
irdischen Schwerkraft beträgt (mehrere kg/cm3 gegenüber 0,001 kg/cm3). Nach dem
Wannenboden nimmt die Fliehkraft nicht nur entsprechend dem wachsenden Halbmesser
zu_, es addieren sich auch die übereinanderliegenden Wasserdrücke.
-
Um die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes «-eiter zu verbessern,
und zwar insbesondere Start und Wirkungsgrad., ist es ein weiteres Erfindungsmerkmal,
daß nicht nur das Zellenrad und der erfindungsgemäße Kurbelzapfen angetrieben werden,
sondern auch die Wasserwanne, d. h., der Erfindungsgegenstand nimmt die Wanne nicht
in bekannter Weise im Freilauf -mit, sondern im Zwangslauf, wofür es verschiedene
-Getriebemöglichkeiten gibt. Der Vorteil des Wannenzwangslaufs sowohl gegenüber
dem Hydrodrom als auch gegenüber der Freilaufwanne besteht in der Möglichkeit, die
Wasserwannenbewegung gegenüber der Zellenradbewegung unter Berücksichtigung der
erfindungsgemäßen Kurbelzapfenbewegung so abzustimmen, daß sieh das Zellenrad im
Wasserring abwälzt wie ein Planetenrad in einer Innenverzahnung, so daß also keine
Kreisströmung des Wassers gegenüber der Wanne mehr stattzufinden braucht. Der Wannenzwangsl.auf
ist die einzige Möglichkeit, bei zweckmäßig geformten Tauchschaufeln einen völlig
ruhigen und verzerrungsfreien, d. h. genau zentrisch zur Kreiselachse liegenden
Wasserringspiegel zu erzielen. Diese zwangslaufende Wasserwanne gibt dem neuen Flüssigkeitsringverdränger
seinen Charakter als Kreiselmaschine (»Kre.iaelverdränger«). da die mit hoher Drehzahl
umlaufende schwere wassergefüllte Wanne bei der raum- und bedienungsmäßig vorteilhaften
senkrechten (= Säulen-) Bauart einen Kreisel darstellt, der zweckmäßig vibrationsfähig-elastisch
gelagert wird.
-
Das Zellenrad unterliegt zufolge seiner exzentrischen Lage auf dem
erfindungsgemäß kurbelnden Zapfen der Fliehkraft, was sich in entsprechender Zellenradlage:rreibung,
d. h. als Verschleiß und WirkungsgradIninderung äußert. Gegenstand der Erfindung
ist es darum weiterhin, das Zellenrad auf dem Wasserring schwimmen zu lassen. Das
genaue spezifische Gewicht muß unter Zugrundelegung eines Wuchtpl.anes errechnet
werden unter Berücksichtigung der Tatsache, daß sich ein Teil des Zellenrades im
Wasser, ein Teil außerhalb des Wassers, ein Teil auf der einen, der andere Teil
auf der entgegengesetzten Seite der Kreiselwannenachse befindet. :Mehrere Kunststoffe
haben von Natur geeignete spezifische Gewichte, sind aber wegen ihrer ungenügenden
Warmfestigkeit nur für Zellenräder von Niederdruckmaschinen brauchbar. Bei zufolge
höherer Drücke auftretenden höheren Temperaturen muß das Zellenrad als Blechhohlkörper,
z. B. aus Stahlrohren hergestellt werden.
-
Diese erfindungsgemäßen Merkmale: kurbelnder Zellenradlagerzapfen,
Wannenzwangsmitführung und schwimmendes Zellenrad ergeben einen Hochdruck-Flüssi,gkeit,sring-Verd@ränger
allerhöchsten Wirkungsgrades, der als Verdichter, Entspanner und Vakuumpumpe arbeitet.
-
Ein weiteres Erfindungsmerkmal ergibt sich bei der Kombination von
Verdichtung und Entspannung. Bei der Realisierung des Hochdruck-Gleichdruck-Kreisprozesses
mit seinem großen Luftfaktor entsteht die Notwend.igkeiit, große Mengen Druck-Abgase
in Drucl;-Fris@dhluft umzuwandeln. Der Erfindungsgegenstand löst diese Aufgabe,
indem das Zellenrad einfach in zwei oder mehr axiale Abteilungen unterteilt wird,
von denen der eine Teil als Verdichter, der andere als Entspanner arbeitet. Die
Brennkammer kann dabei als Wasserring-Brennkammer an die erfindun:gsgemäß zwangslaufende
Kreiselwanne angebaut werden, was insbesondere für die Auszentrifugierung von Kohlenstaubasche
wichtig ist. Diese neue thermodynamische Möglichkeit der Durchführung dies Hocbd
iruck-Gleichdruck-Kreisprozessesergibt sich aus der den Wasserringverdränger -Tieftauchläufer
kennzeichnenden Warmfestigkeit, da sich das Zellenrad dieser Bauart bei jeder Umdrehung
im Wasserbade kühlt, aus der Hochdruckarbeitsweise mit erfindungsgemäß I<u!rMndem
Zellenradzapfen und aus dem hohen Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Rauchga.s-Frisohlu,ft-Umformung.
-
Schließlich ergibt der neue Verdränger sogar die Möglichkeit, innerhalb
des Zellenradlagerzapfens eine Brennkammer anzuordnen, welche eine ideale Temperaturschichtung
und eine unerreichte Wärmewirtschaftlichkeit ermöglicht.
-
Die Zeithnungen zeigen drei Ausführungsbeispiele, und zwar Abb. 1
und 2 das Grundprinzip des neuen Verdrängers, Abb. 3 und 4 die Verdi,chter-Entspanner-Kombination,
Abb. 5 den erfindungsgemäßen Kurhelzapfen mit innenliegendem Brennraum.
-
Abb. 1 zeigt den Querschnitt und Abb. 2 den Längsschnitt eines schematisierten
Verdrängers erfindungsgemäßer Ausbildung. Die Wass eirwanne 1 trägt dien Wasiserring
2. Das Zellenrad 3 sitzt drehbar auf der drehbaren Kurbel 4. Die Zahnräder 5 treiben
einerseits die Wanne 1 andererseits die Kurbel 4 mit verschieden er Drehzahl an.
Zufolge der Drehzahldifferenz zwischen Wanne 1 und Kurbel 4 wälzt sich das auf dem
Kurbelzapfen angeordnete Zahnrad 6 in dem an der Wanne 1 befestigten Innenverzahnungskranz
7 ab, Zeas zur Folge hat, daß sich in gleicher Art das Zellen Grad 3 im Wasserring
2 abwälzt. Bei dieser Abwälzbewegung wird aus dem Kanal 8 durch den Schlitz 9 der
Zellenradnabe hindurch bei Rechtsdrehung des Zellenrades 3 von der Zelle 10 Luft
angesaugt, desgleichen saugen die Zellen 11 und 12 Luft aus dem Raum B. Diese angesaugte
Luft wird in den Zeilen 13 und 14 verdichtet, und in Zelle 15
schiebt
der Wasserring die verdichtete Luft in dien Kanal 15, von dem sie zur Nutzung abgenommen
werden kann. Das ruhende Maschinengehäuse ist mit der Linie 32 angedeutet.
-
Wenn beispielsweise die Kurbel 4 rechtsdrehend 3000 U/min und die
Wanne 1 ehenfa.lls rechtsdrehend 4000 U/min macht, dann eilt also die Wanne 1 mit
Zahnkranz 7 der Kurbel 4 mit Umlaufrad 6 um 1000 U/min vor, so daß sich Umlaufrad
6 im Zahnkranz 7 abwälzen muß, wobei es das Zellenrad 3 mitnimmt. Das Zellenrad
3 dreht sich dabei gegenüber der Kurbel 4 ebenfalls mit 1000 U/min (= Förderdrehzahl),
wobei die absolute Zellenraddrehzabl nach den dargestellten Zahnradübersetzungsverhältnissen
6, 7 der Abb. 2 5325 U/min wäre.
-
Die eben beschriebene Arbeitsweise ist die als Verdichter. Hierbei
wird also Zahnrad 5 angetrieben und die Luft bei 8 angesaugt und bei 15 abgegeben.
Die Arbeitswei,se als Vakuumpumpe ist die gleiche, nur herrscht im Ansau,gkanal8
Unterdruck, im Ab-
gabekanal 15 normaler Luftdruck. Bei Arbeitsweise als Entspanner
wird in den Kanal 15 Druckluft eingeführt, welche das Zellenrad linksdrehend treibet,
indem sich die Luft in den Zellen 14 und 13 entspannt und Tiber 12, 11, 10, 9, 8
austritt, wobei die Maschine als Motor arbeitend an den Zahnrädern 5 Kraft alagibt.
Die Maschine verdichtet und entspannt außer Luft auch Gase und Dämpfe.
-
Abb. 3 zeigt den Längsschnitt und Abb. 4 dien Querschnitt des neuen
Verdrängers mit einem in Verdichter und Entspanner unterteilten Kurbelzapfen als
Kohlenstaub- oder Schmutzöl-Feuerungsmaschine. Die Kreiselwanne 1 trägt den Wasserring
2, in welchem sich das Zellenrad 3 abwälzt. Das Zellenrad 3 ist aus Stahlrohren
mit Blechnabe gefertigt und auf dem Kurbelzapfen der Kurbel 4 drehbar gelagert.
Bei Rechtsdrehung des Zellenrades 3 wird in der Verdichte:rabteilung 20 Luft aus
dem Ansaugrohr 8 nach den Zellenräumen 16 und 17 gesaugt, in den Zellenräumen 18
und 19 verdichtet und in den Raum 20 geschoben. Von hier gelangt die Druckluft durch
die zentrale Rohrleitung nach dem Mischraum 21, wo die Vermengung mit Kohlenstaub
odfer Schmutzöl stattfindet. Das Gemisch verbrennt im Raum 22, die Rauchgase werden
beim Durchgang zwischen dem Wasserring 30 und dem Leitkörper 31 auszentrifugiert,
wobei Verunreinigungen, Asche und Wasser im Wasserring landen, während das aus Rauchgasen,
Luft und Dampf bestehende, gereinigte Diffusionsgemisch in den Raum 23 der Entspannerabteilung
gelangt und von hier nach Eintritt in das Zellenrad 3 entspannt wird. Dabei ist
die Schräglegung der Räume 20 und 23 (Abb.4) gegenüber der Symmetrieachse spiegelbildlich.
Der Zellenradantrieb erfolgt über Welle 28, Gelenkwelle 25 und Mitnehmer 24, der
Kreis-elwannenantrieb über Nabe 27; wenn der Brennraum arbeitet, treibt das Zellenrad
die Felle 28 an. 26 ist ein rollender Wuchtring, um die des exzentrisch gelagerten
Mitnehmers 24 zu kompensieren. Der Kurbelzapfen 4 sitzt fest an der Zwischenwand
der Kreiselwanne 1, welche Zwischenwand die Wasserringe 2 und 30 trennt. Zufolge
dieser Drehzahlgleichheit von Kurbelzapfen 4 und Kreiselwanne 1 wird der Wasserring
vom Zellenrad 3 in Strömung versetzt, so daß also ein rotierendes Hydrodrom entsteht,
wobei die Kreisströmung des `Tasserrings durch entsprechend hohe Drehzahl (Fliehkraft)
laminar gehalten werden kann. Trotzdem Ist die Wasserring-Kreis,-strÖmu gsarbeit
bei dieser Ein-Wannen-Kreisel-Bauart als Wirkungsgradverschlechterung nachweisbar.
Den höchsten Wirkungsgrad erreicht die Doppel-Wannen-Kreisel-Bauart (Abb. 5). Die
innere Wanne 1 ist die Wasserwanne, 2 i,st der Wasserring und 3 das Zellenrad. Zum
Antrieb des Kurbelzapfens 4 dient hier die äußere Wanne 33. Kurbelzapfen 4, Wasserwanne
1 und Zellenrad 3 werden jedes mit einer anderen Drehzahl angetrieben, z. B. auch
en.tsprezbend Abb. 2, wobei die Mitne'hmerzahnräder 6, 7 zweckmäßig auf der Wannenantriebsseite
angeordnet werden, um den Ein- und Ausbau des Zellenrades nach der entgegengesetzten
Seite zu vereinfachen. Die Stirndeckel der Wannen müssen dann abnehmbar sein. Die
Kreiselwanne 33 kann wegen der hohen Fliebkraftbeanspruchung nicht geschlitzt werden,
ihr Ersatz durch ein Käfig- oder Gitterwerk wäre fliehkraftrnäßig ungünstiger und
verursacht unnütze Luftbewegung, so daß die obige Bezeichnung als Doppelwannenkreisel
gerechtfertigt isst. Wesentlitch an Abb.5 ist auch die Anordnung des Brennraumes
35 innerhalb des Kurbelzapfens 4, die allerdings die Verwendung sauberer, d. h.
sogena,nnter Diisenbrennstoffflüssi.gkeiten voraussetzt. Die Ze@llenrad@abteilung
34 arbeitet als Verdichter und wirft die Preßluft in den Brennraum 35. Am Kurbelzapfenkörper
4 isst eine wassergekühlte Kraftstofflei;tting 36 befestigt, die den Kraftstoff
vermittels einer Sprühscheibe in den Brennraum 35 wirft, wo er zufolge Selbstzündung
mixt der von 34 kommenden Luft in Form einer Ring- oder Brausenflamme 37 verbrennt.
Die Abgase treten nach der Entspannung bei 38 aus dem Zellonrad und bei 39 ins Freie.
40 ist der Mitnebmer für das Zellenrad 3, 41 die Antriebsdelle dazu. Die Paßfeder
42 deutet die Mitnahme des Kurbelzapfens 4 durch die Wanne 33 an.
-
Der neue Flüssigkeitsringverdränger ist für alle Leistungshereiche,
insbesondere auch für große Leistungen beim Lokomotivantrieb und als Kraftwerksmasehine
brauchbar.