DE102009009025A1

DE102009009025A1 - Rotierende Verdrängermaschine

Info

Publication number: DE102009009025A1
Application number: DE200910009025
Authority: DE
Inventors: Hans-Wilhelm Moellmann
Original assignee: Mollmann Hans-Wilhelm Dipl-Ing
Current assignee: Mollmann Hans-Wilhelm Dipl-Ing
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2010-08-19

Abstract

Diese Druckschrift umfasst eine rotierende Verdrängermaschine mit deren Ausführung eine isentrope Gas-Kompression und Expansion bei verstellbarem Verdichtungsverhältnis erreicht werden soll. Weiterhin soll eine möglichst pulsationsarme Förderung und eine stufenlose Hubverstellung sowie ein hoher hydraulischer Wirkungsgrad realisiert werden. Neben dem Einsatz als energiesparende Pumpe soll diese Maschine zur effizienten Speicherung und Entnahme von Energie in Form von Druckluft vorgesehen werden. Eine gemeinsame Antriebsscheibe (2) treibt zwei Verdrängerpaare (V), die phasenversetzt angeordnet sind und somit eine pulsationsarme Förderung mit 4 Hüben pro Umdrehung erreichen. Die Fördermenge wird im Wesentlichen auch von der Exzentrizität (e) bestimmt. Durch eine Verstellmöglichkeit kann diese reguliert werden. Es kann damit nahezu die pulsationsarme Förderung einer Kreiselpumpe mit dem hohen Wirkungsgrad einer Kolbenpumpe kombiniert werden. Der Bauaufwand bleibt gering, da eine Antriebsscheibe für beide Verdrängerpaare (V) genutzt wird. Um den hydraulischen Wirkungsgrad zu erhöhen, wird die Spaltströmung durch ein Labyrinth (N) vermindert. Bei der Gaskompression wird eine kontinuierliche Verstellung des Verdichtungsverhältnisses durch ein verschiebbares Füllsegment (S) in der Gehäusesteuernut (SN) erreicht.

Description

Stand der Technik:
Zur Gaskompression werden heute bei großen Volumina mehrstufige Turbokompressoren eingesetzt. Diese führen eine nahezu isentrope Gaskompression durch (5, Arbeitsfläche Wa). Diese Strömungsmaschinen sind aber bei hohen Druckunterschieden ungeeignet.
Bei großen Druckverhältnissen werden Hubkolbenmaschinen eingesetzt. Diese Maschinen benötigen einen Kurbeltrieb und Ventile und zeigen eine hohe Förderstrompulsation. Bei diesen Maschinen erfolgt ebenfalls eine isentrope Kompression in einem geschlossenen Arbeitsraum.
Weitere verfügbare Maschinen sind der Rootskompressor und der Schraubenverdichter. Beide kommen ohne Ventile aus und sind preisgünstiger in der Herstellung als die Kolbenkompressoren.
Der Rootsverdichter hat keine innere Kompression und somit einen schlechten Wirkungsgrad. Der Schraubenverdichter benötigt eine hohe Fertigungsgenauigkeit sowie ein Synchronisationsgetriebe. Der Schraubenverdichter hat eine hohe Rückströmung und arbeitet nur bei hohen Drehzahlen mit gutem hydraulischem Wirkungsgrad.
Die hier vorliegende Maschine soll diese Nachteile gegenüber den beschriebenen Maschinen aufheben und soll die in der Druckschrift de 165071 und de 060518 beschriebene Maschine verbessern.
Aufgabenstellung:
Diese Druckschrift umfasst eine rotierende Verdrängermaschine mit deren Ausführung eine isentrope Gas-Kompression und -Expansion bei verstellbarem Verdichtungsverhältnis erreicht werden soll. Es soll eine möglichst pulsationsarme Förderung und eine stufenlose Hubverstellung sowie ein hoher hydraulischer Wirkungsgrad realisiert werden.
Neben dem Einsatz als energiesparende, pulsationsarme Pumpe soll diese Maschine zur effizienten Speicherung und Entnahme von Energie in Form von Druckluft vorgesehen werden.
Ausführungsbeispiel:
Die Ausführung wird im Folgenden am Beispiel einer Pumpe/eines Verdichters beschrieben:
Eine gemeinsame Antriebsscheibe (2) treibt nach Patentanspruch 1 zwei zur Antriebsachse um die Exzentrizität (e) versetzt angeordnete Verdrängerpaare (V) an, die phasenversetzt angeordnet sind und somit eine pulsationsarme Förderung mit 4 Hüben pro Umdrehung erreichen. Alle Verdränger fördern aus einer gemeinsamen Saugleitung (S) in eine gemeinsame Druckleitung (D).
Die Fördermenge wird im Wesentlichen von der Exzentrizität (e) bestimmt.
Durch eine Verstellmöglichkeit nach Patentanspruch 2 kann die Fördermenge reguliert werden. Hierzu wird die Antriebswelle (1) mit einem Mittenversatz von (e/2) in einer zusätzlichen Welle (W2) gelagert. Welle W2 wird über Hebel (H) verstellt. Wird die Exzentrizität (e) auf Null gebracht, so rotieren die Verdränger ohne Förderwirkung.
Es kann damit nahezu die pulsationsarme Förderung einer Kreiselpumpe mit dem hohen Wirkungsgrad einer Kolbenpumpe kombiniert werden. Der Bauaufwand bleibt gering, da eine Antriebsscheibe für beide Verdrängerpaare genutzt wird.
Um den hydraulischen Wirkungsgrad zu erhöhen, werden nach Patentanspruch 3 (2) senkrecht zur Bewegungsrichtung Nuten (N) hier in die Verdrängerkörper (V) eingebracht. Diese können natürlich auch in die Gehäusewand eingebracht werden. Die aufgrund der Druckunterschiede zwischen Saug- und Druckseite entstehenden Leckagemengen wird im engen Spalt beschleunigt und in den größeren Spalten verzögert. Durch diese Anordnung wird der Druckverlust auf der Dichtstrecke gegenüber einem gleichlangen glatten Spalt erheblich vergrößert wodurch die Leckagemenge vermindert wird und damit der hydraulische Wirkungsgrad steigt.
Durch Patentanspruch 4.1 (1) soll der Fertigungsprozess des Gehäuses vereinfacht werden. Hierbei werden nicht wie in den bisherigen Ausführungen beschriebene Umfangsnuten in das Gehäuse eingebracht, sondern der Verdrängerkörper (V1/V2) in Bewegungsrichtung mit einer Steuerkante (4) ausgestattet. Nach der Steuerkante wird das Spiel zwischen Gehäuse und Verdränger vergrößert (SN), um den freien Durchfluss des Mediums zu erreichen. Die seitlichen Wände des Verdrängers bleiben erhalten, um die seitliche Überströmung zu begrenzen. Hierdurch wird die Fertigung des Gehäuses wesentlich einfacher, da hier nur radiale Bohrungen einzubringen sind. Diese Ausführung soll insbesondere für inkompressible Medien genutzt werden. Bei kompressiblen Medien (Gasen) können die Steuernuten (SN) der Verdrängerkörper (V) nach Anspruch 4.2 (6) mit Füllsegmenten (S) bestückt werden, wodurch das gewünschte Druckverhältnis nachträglich einstellbar ist.
Nach Anspruch 4.3 wird anstelle des segmentförmigen Verdrängers in der Ausführung nach Anspruch 4.1 nur eine Scheibe vorgesehen, die z. B. die Breite der Steuerkante (4) hat. Diese Ausführung ist insbesondere bei zähen oder feststoffhaltigen Medien sinnvoll.
Durch Anspruch 5 (2) wird der Wirkungsgrad des Verdichtungsprozesses optimiert. Die Verdichtung soll isentrop ausgeführt werden. Das heißt, der Druck soll kontinuierlich ansteigen indem der Verdichtungsprozess in einem geschlossenem Raum stattfindet. Idealer Weise endet die Verdichtung exakt bei dem jeweiligen Druck des druckseitigen Systems in das hineingefördert wird. Da in den meisten Fällen der Endruck nicht konstant ist (wie z. B. bei einer Vakuumpumpe, die die Aufgabe hat den Druck kontinuierlich abzusenken oder bei einem Kompressor, der den Druck in einem gewissen Regelbereich aufbringen muss), ist eine Verstellmöglichkeit sinnvoll. Dadurch dass bei der Ausführung nach Anspruch 5 (als Verdichter) nur auf der Saugseite des Gehäuses feststehende Steuernuten (SN) eingebracht sind und auf der Druckseite in der Steuernut (SN) ein in Umfangsrichtung (U) verschiebbares Füll-Segment (S) angebracht ist, kann erfindungsgemäß das Druckverhältniss der Maschine stufenlos während des Verdichtungsprozesses verändert werden, wodurch die Verdichtung annähernd nur so viel Energie benötigt, wie in einem idealen isentropen Verdichtungsprozess (5. Arbeitsfläche Wa) nötig wäre. Dies wäre z. B. bei der Befüllung von Druckluftspeichern sinnvoll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 165071 [0005]
- DE 060518 [0005]

Claims

Rotierende Verdrängermaschine insbesondere Verdichter/Pumpe mit im Ringraum rotierenden, segmentförmigen Verdrängerkörpern (V), die über eine exzentrisch (e) zum Verdrängerraum angeordneten Welle (1), auf der eine entsprechende Mitnahmescheibe (2) angebracht ist, angetrieben werden bzw. antreiben und die Übertragungselemente durch Gleitkörper (3), die in einer Nut laufen oder durch Magnetpaare, die durch eine feste Wand wirken, gebildet werden, wobei eine Stufe oder mehrere in Reihe geschaltete Stufen zur Anwendung kommen und die Öffnungszeiten der Ein- und Auslässe der Maschine durch entsprechende Steuernuten im Gehäuse festgelegt werden, dadurch gekennzeichnet (3, 4), dass eine gemeinsame Antriebsscheibe (2) auf jeder Seite ein Verdrängerpaar (V) antreibt und das die Verdrängerpaare/Antriebsnocken der einen Seite, zur anderen Seite, um einen Winkel versetzt angeordnet sind und dass eine Anzahl n Antriebsscheiben eine Anzahl 2 × n parallel und phasenverschobene, fördernde Stufen ergeben und alle Stufen in eine gemeinsame Druck (D)- bzw. aus einer gemeinsamen Saugleitung (S) fördern.
Rotierende Verdrängermaschine insbesondere Verdichter/Pumpe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet (3), das die Exzentrizität (e) in der Art verstellbar ist, 2.1 dass die Antriebswelle (1) in einer weiteren Welle (W2) eingebracht ist, deren Drehzentrum um e/2 zur Mittenachse des Verdrängergehäuses und um e/2 zur Drehachse der Antriebswelle versetzt angeordnet ist und dass diese zusätzliche Welle um diese Achse frei drehbar ist, wodurch die Exzentrizität e der Antriebswelle zum Gehäuse stufenlos zwischen e und 0 verändert werden kann oder dass bei außenliegender Antriebscheibe (2) die Welle (W2) in die Antriebswelle eingebracht wird, wodurch erfindungsgemäß eine stufenlose Volumenveränderung des Durchsatzvolumenstroms möglich wird. 2.2 dass die nach außen liegende Antriebsscheibe schwenkbar ist und das der Schwenkweg der Mittelpunkslinie durch das Zentrum des Verdränger-Drehmittelpunktes geht, wodurch die Exzentrizität (e) der Antriebswelle zum Gehäuse stufenlos zwischen e und 0 verändert werden kann.
Rotierende Verdrängermaschine insbesondere Verdichter/Pumpe nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet (2), dass am Umfang des Gehäuses oder auf dem Verdrängerumfang in der Regel senkrecht zur Bewegungsrichtung derart Nuten (N) eingebracht sind, dass die Spaltströmung zwischen Verdränger und Gehäusewand abwechselnd beschleunigt und verzögert wird.
Rotierende Verdrängermaschine insbesondere Verdichter/Pumpe nach den vorherigen Ansprüchen, 4.1 (1) dass die Steuernuten (SN) am Umfang der Verdrängerkörper (V1, V2) eingebracht sind und die in Rotationsrichtung vorne liegende Seite des Verdrängerköpers eine Steuer- und Dichtkante (4) bildet und dass das stehende Gehäuse keine Einfräsungen hat und radial gerichtete, in der Regel kreisrunde Öffnungen trägt, die zusammen mit den Steuernuten die saug- und druckseitigen Öffnungswinkel der Ein- und Auslässe bestimmen. 4.2 (6) dass die Steuernuten (SN) der Verdrängerkörper mit verschiedenen Füll-/Steuersegmenten (S) aufgefüllt werden können. 4.3 dass die Verdränger nur aus dünnen Scheiben bestehen die zugleich die Steuer- und Dichtkante (4) bilden und dass das stehende Gehäuse keine Einfräsungen hat und radial gerichtete, in der Regel kreisrunde Öffnungen trägt, die zusammen mit den Steuernuten die saug- und druckseitigen Öffnungswinkel der Ein- und Auslässe bestimmen.
(2) Rotierende Verdrängermaschine insbesondere Verdichter/Pumpe nach den vorherigen Ansprüchen, dass bei der Ausführung als Verdichter, Vakuumpumpe, Motor in der gehäuseseitigen Steuernut ein in Umfangsrichtung (U) verschiebbares Füllsegment (S) angebracht ist, was erfindungsgemäß auch während des Betriebes der Maschine verschiebbar ist.