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Vorrichtung zum Regeln der Förderleistung von Drehkolbenverdichtern
Die Erfindung bezieht sich auf Drehkolbenverdichter, welche keine zusätzlichen Ein-
und Auslaßorgane besitzen, vielmehr den Ein- und Auslaß durch Öffnungen in den Drehkolbenkörpern
und im Gehäuse bzw. einer stillstehenden Hohlachse selbsttätig steuern. Da die vorhandenen
Steuerkanten in diesen Fällen jedoch unveränderlich sind, kann auch nur eine unveränderliche
Gasmenge gefördert werden. Zur stufenlosen Regelung der Fördermenge ist also die
Verwendung eines beweglichen Steuerorgans erforderlich, welches den Einlaßkanal
während des Verdichtungshubes mehr oder weniger lange offen hält.
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Wird nun die zuviel angesaugte Gasmenge während dieser Zeit wieder
zurück in die Saugleitung gefördert, so wird der Gegendruck im Zylinder erst zu
einem späteren Zeitpunkt erreicht. Würde die Auslaßkante unverändert an derselben
Stelle liegen, so würde Gas aus der Druckleitung in den Zylinder zurückströmen und
müßte erneut wieder ausgeschoben werden, was zumindest bei größeren Rückströmungen
nicht ohne erhebliche Energieverluste und starke Geräuschentwicklung vor sich ginge.
Infolgedessen ist auch eine Verstellung der Auslaßsteuerkante notwendig.
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Es ist zwar bei einem Zahnradverdichter mit exzentrisch ineinanderliegenden
Zahnrädern bereits vorgeschlagen worden, durch eine seitlich von den Drehkolbenkörpern
angeordnete, mit Ein- und Auslaßöffnungen versehene, bewegliche Dichtungsscheibe
die Förderleistung zu regeln. Diese Anordnung ist jedoch nur für Drehkolbenverdichter
von kurzer axialer Baulänge und niedriger Drehzahl geeignet. Mit zunehmender axialer
Baulänge und steigender Drehzahl werden die Drosselverluste in den Ein- und Auslaßöffnungen
untragbar.
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Es ist ferner eine Rotationsmaschine mit mehreren in einem Gehäuse
nebeneinander angeordneten und zusammenarbeitenden Rotoren bekannt; im Inneren des
einen Rotors befindet sich ein feststehendes, zylinderinantelförmiges, einen radialen
Austrittsschlitz des Rotors steuerndes Steuerorgan. Mit dieser Einrichtung ist es
nicht möglich, sowohl die Auslaß- als auch die Einlaßöffnung zu regeln; zudem fehlt
eine Mengenregulierung vollständig.
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Erfindungsgemäß wird bei Drehkolbenverdichtern mit zur Überdeckung
kommenden, den Einlaß und den Auslaß steuernden Öffnungen in den Drehkolbenkörpern
und im Gehäuse oder in einer stillstehenden Hohlachse bei Anwendung eines einzigen
zylindermantelförinigen Steuerorgans eine wesentliche Verbesserung dadurch erreicht,
daß am Umfang zwischen den umlaufenden Teilen und zwischen den feststehenden Teilen
des Verdichters ein in seiner Umfangsrichtung verschiebbarer zylindermantelförmiger
Steuerschieber angeordnet ist, dessen eine Steuerkante den Abschluß des Ansaugvorganges
und dessen andere Steuerkante den Beginn des Auslaßvorganges steuert.
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Wie aus jedem Kompressordiagramm hervorgeht, sind jedoch zur Erzielung
eines möglichst verlustlosen Verdichtungsvorganges benötigten Verstellwege für die
Einlaß- und für die Auslaßsteuerkante sehr verschieden. Es ist daher nicht ohne
weiteres möglich, einen Drehkolbenverdichter ein- und auslaßseitig durch einen gemeinsamen
Steuerschieber zu regeln.
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In weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens wird deshalb vorgeschlagen,
den Steuerschieber auf der Ansaugseite mit einem feststehenden, seine rückwärtige
Verlängerung bildenden Füllstück zusammenarbeiten zu lassen, so daß der Beginn des
Verdichtungshubes je nach der Stellung des Steuerschiebers durch die Steuerkante
des Füllstückes oder durch die Steuerkante des Steuerschiebers bestimmt wird.
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Weiterhin kann es sich als zweckmäßig erweisen, bei rasch laufenden
Drehkolbenkompressoren ein Vorausströmen dadurch zu ermöglichen, daß das auslaßseitige
Ende des Steuerschiebers um eine parallel zur Verdichterachse liegende Achse schwenkbar
ausgebildet ist und mittels einer oder mehrerer Führungsschienen angehoben werden
kann.
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Bei dem in Abb. 1 schematisch im Schnitt dargestellten Drehkolbenverdichter
laufen der Drehkolben 1 und der Drehkolben 2 je um eine Achse gleichsinnig, aber
mit verschiedenen Drehzahlen um. Von den beiden Drehkolben sowie von den umgebenden
Teilen werden drei getrennte Zylinderräume gebildet, von denen in der gezeigten
Stellung der Raum 4 ansaugt, der Raum 3 am Beginn des Verdichtungshubes steht und
der Raum 5 ausschiebt. Der bewegliche, in seiner Umfangsrichtung verschiebbare,
zylindermantelförmige Steuerschieber 9 steuert mit der Steuerkante 12 den Abschluß
des Ansaugvorganges und mit der Steuerkante 11 den Beginn des Auslaßvorganges. Da
der Steuerschieber dieselbe axiale Länge hat wie die
Drehkolben,
d. h. wie die Arbeitsräume, verläuft das Ansaugen und das Ausschieben des Arbeitsmediums
durch die peripheren Öffnungen des Kolbens 2 mit sehr geringen Drosselverlusten.
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Entsprechend der in Abb. 1 gezeichneten Kolbenstellung hat der Saugraum
3 das größte erreichbare Ansaugvolumen erreicht. Wenn dieser Raum gegen den Saugstutzen6
bereits abgeschlossen ist, wie im vorliegenden Fall durch das fest eingebaute Füllstück
8, so wird bei der Weiterbewegung der Kolben das Gas im Raum 3 verdichtet und schließlich
in den Druckstutzen 7 ausgeschoben. Angenommen, das Füllstück 8 wäre mit dem Steuerschieber
9 fest verbunden und mit ihm verschiebbar und der Verdichter sollte mit Teillast
gefahren werden, so würde beim Verstellen des Schiebers im Uhrzeigersinne zunächst
zwar ein Teil des Gases aus dem Raum 3 wieder in Saugstutzen 6 zurückgeschoben werden.
Der Rest des Gases würde aber, bevor die Steuerkante 11 den Auslaß freigibt, auf
einen über den im Druckstutzen 7 herrschenden Druck hinaus verdichtet werden und
somit den Wirkungsgrad verschlechtern. Bleibt das Füllstück 8 jedoch stehen, so
tritt bei der Weiterbewegung der Kolben ein größerer Teil der angesaugten Gasmenge
aus dem Raum 3 durch den sich zwischen dem Füllstück 8 und der Kante 12 des Steuerschiebers
9 bildenden Schlitz in den Saugstutzen 6 zurück, und zwar so lange, bis die Steuerkante
13 des Drehkolbens 2 die Steuerkante 12 überdeckt. Die im Zylinderraum 3 befindliche
Restgasmenge wird nun verdichtet und ausgeschoben. Infolge der Verstellung des Schiebers
erfolgt das Ausschieben erst zu einem späteren Zeitpunkt.
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An Hand des Diagramms (Abb. 2) sei dieser Vorgang näher erläutert:
Die Strecke 14 ist dasjenige Zylindervolumen, welches dem Winkelmaß des Füllstückes
8 entspricht. Die Strecke 15 ist das Saugraumvolumen, welches der Winkelverstellung
des Schiebers 9 entspricht. Die in die Saugleitung insgesamt zurückbeförderte Gasmenge
ist also gleich der Strecke 14 und 15.
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Die Strecke 16 ist das Druckraumvolumen, welches der Winkelverstellung
des Schiebers 9 entspricht.
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Da die Volumenänderung der Zylinderräume nicht linear mit der Winkelstellung
verläuft, sind die Strekken 15 und 16 einander nicht gleich. Auch braucht der Auslaßeröffnungspunkt
nicht genau am Ende der Kompressionslinie zu liegen; vielmehr wird dieser bei rasch
laufenden Drehkolbenkompressoren so angeordnet sein, daß der Auslaß bei Erreichen
des Gegendruckes bereits zum Teil geöffnet ist. Dementsprechend wird man die Länge
des Füllstückes so bemessen, daß der Steuerpunkt bei allen in Frage kommenden Teillasten
stets in angemessenem, aber nicht genau gleichbleibendem Maße vor dem Endpunkt der
Kompressionslinie liegt.
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Deshalb ist, wie in Abb. 3 dargestellt, der Steuerschieber 17 mit
einem um eine parallel zur Verdichterachse liegende Achse schwenkbaren Steuerstück
18 versehen. Dieses Steuerstück 18 kann auch zwecks Erzielung einer besseren Regelung
in mehrere in Richtung der Schwenkachse nebeneinanderliegende Teile unterteilt sein
oder aus elastischem Material hergestellt sein. Bei Verstellung des Steuerschiebers
wird das Steuerstück z. B. durch eine Führungsschiene 19 zu einem beliebigen Zeitpunkt
und mit zunehmender Steuerschieberverstellung in immer stärkerem Maße angehoben.
Infolgedessen liegt die steuernde Auslaßkante nicht mehr am rechten, sondern am
linken Ende des Steuerstückes 18. Die hierdurch eintretende Steuerwirkung geht aus
dem Kompressordiagramm nach Abb. 4 hervor.
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Hierin stellt die Strecke 20 die der Winkelverstellung des Steuerschiebers
entsprechende Volumenveränderung des Zylindersaugraumes dar. Die Strecke 21 ist
die zugehörige Volumenveränderung auf der Druckseite, welche ohne Vorhandensein
des schwenkbaren Steuerstückes eintreten würde. Der Auslaß würde also so spät öffnen,
daß im Zylinderraum ein starker Überdruck und damit ein beträchtlicher Energieverlust
entstünde. Das Steuerstück 18 verlegt nun beim Anheben den Auslaßsteuerpunkt um
die Strecke 22 zurück, so daß übermäßiger Überdruck verhindert wird.
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Um Drosselverluste zu vermeiden, wird man die Regelung mittels Steuerstück
18 nur für kleine Mengenregelbereiche oder kombiniert mit der Regelung der Ansaugmenge
durch Wiederausschieben mittels des feststehenden Füllstückes 8 verwenden. Im letzteren
Falle besteht die Möglichkeit, den Regelbereich bis auf kleinste Teillasten auszudehnen.