DE102017120000A1 - Low-vibration multistage reciprocating compressor, in particular for rail vehicles - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Kolbenkompressor, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauffolgenden Hochdruckstufe zum mehrstufigen Komprimieren von angesaugter Luft, wofür eine Antriebseinheit (1) zur Erzeugung einer Drehbewegung eine nachgeschaltete Verdichtereinheit (2) antreibt, welche mehrere an einem Verdichtergehäuse (6) zur Unterbringung einer Kurbelwelle (11) angeordnete topfartige Nieder- oder Hochdruckzylinder (7a, 7b, 8a, 8b) für innenliegende Kolben (12) aufweist, wobei die über die Antriebseinheit (1) angetriebene Kurbelwelle (11) eine Drehbewegung über mehrere auf mindestens einer Kröpfung angeordnete Pleuel (13) in eine lineare Bewegung für je einen zugeordneten Kolben (11) zum Komprimieren der Luft umwandelt, wobei eine gerade Anzahl von Nieder- und Hochdruckzylindern (7a, 7b, 8a, 8b) sternförmig am Verdichtergehäuse (6) angeordnet ist, wobei jeweils ein Hochdruckzylinder (7a ; 7b) einem Niederdruckzylinder (8a ; 8b) auf derselben Längsachse (A bzw. B) gegenübersteht, und jedem mit einem Kolben (12) versehenen Pleuel (13) eine eigene Kröpfung (14a bis 14d) der Kurbelwelle (11) zugeordet ist. The invention relates to a multistage reciprocating compressor, in particular for rail vehicles, having a low-pressure stage and at least one subsequent high-pressure stage for multistage compression of sucked air, for which a drive unit (1) drives a downstream compressor unit (2) to produce a rotational movement. 6) for accommodating a crankshaft (11) arranged cup-shaped low or high pressure cylinder (7a, 7b, 8a, 8b) for internal piston (12), wherein via the drive unit (1) driven crankshaft (11) has a rotational movement over a plurality of at least one crank arranged connecting rod (13) in a linear movement for each associated piston (11) for compressing the air, wherein an even number of low and high pressure cylinders (7a, 7b, 8a, 8b) in a star shape on the compressor housing (6) is arranged, wherein in each case a high-pressure cylinder (7a, 7b) a Niederdruckz ylinder (8a; 8b) facing on the same longitudinal axis (A or B), and each with a piston (12) provided with connecting rod (13) has its own offset (14a to 14d) of the crankshaft (11) is assigned.
Description
Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Kolbenkompressor, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauffolgenden Hochdruckstufe zum mehrstufigen Komprimieren von angesaugter Luft, wobei eine Antriebseinheit zur Erzeugung einer Drehbewegung eine nachgeschaltete Verdichtereinheit antreibt, welche mehrere an einem Verdichtergehäuse zur Unterbringung einer Kurbelwelle angeordnete topfartige Zylinder für innenliegende Kolben aufweist, wobei die über die Antriebseinheit angetriebene Kurbelwelle eine Drehbewegung über mehrere auf mindestens einer Kröpfung angeordnete Pleuel in eine lineare Bewegung für je einen zugeordneten Kolben zum Komprimieren der Luft umwandelt, wobei ferner eine gerade Anzahl von Nieder- und Hochdruckzylindern sternförmig am Verdichtergehäuse angeordnet ist.The invention relates to a multi-stage piston compressor, in particular for rail vehicles, with a low-pressure stage and at least one subsequent high-pressure stage for compressing intake air in multiple stages, wherein a drive unit for generating a rotational movement drives a downstream compressor unit which comprises a plurality of cup-shaped cylinders arranged on a compressor housing for accommodating a crankshaft for internal piston, wherein the driven via the drive unit crankshaft converts a rotational movement over a plurality of arranged on at least one crank connecting rod in a linear movement for each associated piston for compressing the air, further comprising an even number of low and high pressure cylinders in a star shape on the compressor housing is arranged.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Fahrzeugbau, insbesondere den Schienenfahrzeugbau. Schienenfahrzeuge sind in der Regel mit Druckluftverbrauchern, wie insbesondere einer druckluftbetriebenen Bremse, ausgestattet, was einen Kompressor zur Erzeugung der benötigten Druckluft erforderlich macht. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung interessierenden Kolbenkompressoren sind dabei meist mehrstufig ausgeführt und besitzen insoweit eine Niederdruckstufe und mindestens eine darauffolgende Hochdruckstufe, um die aus der Umgebung angesaugte Luft durch mehrstufige Kompression auf das gewünschte Druckniveau zu bringen.The field of application of the invention extends primarily to vehicle construction, in particular rail vehicle construction. Rail vehicles are usually equipped with compressed air consumers, such as in particular a compressed air-operated brake, which makes a compressor required to generate the required compressed air. The reciprocating compressors of interest in the context of the present invention are usually designed in multiple stages and thus have a low-pressure stage and at least one subsequent high-pressure stage in order to bring the air drawn in from the environment through multistage compression to the desired pressure level.
Durch eine Fortentwicklung der elektrischen Umrichtertechnik sind vermehrt Kolbenkompressoren gebräuchlich, deren elektrische Antriebseinheit drehzahlgeregelt betrieben wird, um die Druckluft bedarfsgerecht - also mit variabler Förderleistung - zu erzeugen. So kann beispielsweise in Betriebssituationen mit niedrigem Druckluftbedarf die Drehzahl des Kompressors und damit auch dessen Schallabstrahlung auf ein Minimum reduziert werden.Due to a further development of the electrical converter technology reciprocating compressors are increasingly used, the electric drive unit is operated speed controlled in order to generate the compressed air needs - ie with variable capacity. Thus, for example, in operating situations with low compressed air demand, the speed of the compressor and thus its sound radiation can be reduced to a minimum.
Zudem bietet der Einsatz von Kolbenkompressoren im Schienenfahrzeugbau gegenüber ebenfalls gebräuchlichen Rotationsverdichtern eine Reihe von technischen Vorteilen. Durch die Einführung ölfreier Kolbenkompressoren hat sich ein Trend weg von Rotationsverdichtern und hin zu robusten Kolbenkompressoren entwickelt. Allerdings verursacht die Überschneidung dieses Trends mit dem Trend in Richtung drehzahlgeregelter Drucklufterzeugung neue Probleme hinsichtlich auftretender Vibrationen, welche den Fahrkomfort beeinträchtigen können. Denn Kolbenmaschinen erzeugen - hervorgerufen durch die oszillierenden Massen am Kurbeltrieb - bauartbedingt Massenkräfte und -momente, welche sich je nach gewählter Bauform zumindest in der 1. Ordnung gut ausgleichen lassen. Dabei sinkt die Größe der freien Massenkräfte und -momente bei sinkender Drehzahl entsprechend.In addition, the use of reciprocating compressors in rail vehicle construction also offers a number of technical advantages over conventional rotary compressors. The introduction of oil-free reciprocating compressors has developed a trend away from rotary compressors and towards robust reciprocating compressors. However, the overlap of this trend with the trend towards variable speed compressed air generation causes new problems with regard to vibrations that occur, which can affect the ride comfort. For piston engines generate - caused by the oscillating masses on the crank mechanism - due to design inertial forces and moments, which can be compensated well depending on the selected design, at least in the 1st order. The size of the free mass forces and moments decreases correspondingly as the speed decreases.
Größere Probleme treten allerdings hinsichtlich Schwingungserregungen auf, die aus den Verdichtungskräften resultieren, insbesondere beim Einsatz von zweistufigen Kolbenverdichtern der hier vorzugsweise interessierenden Art. Denn die Zweistufigkeit der Verdichtung erzeugt bei den meisten Bauformen von Kolbenkompressoren ein in besonderem Maße ungleichförmiges Drehmoment. Dieses ungleichförmige Drehmoment aus der Verdichtung wirkt als Pendelmoment um die Kompressordrehachse und erzeugt somit Vibrationen an den Befestigungsstellen des Kompressors, was zu einer Beeinträchtigung des Fahrkomforts führt. Diese verdichtungsbedingten ungleichförmigen Drehmomente sinken nicht bei fallender Drehzahl, sondern können bei entsprechender Massenverteilung sogar ansteigen und dazu führen, dass bei niedriger Drehzahl Resonanzen der elastischen Befestigungsstellen angeregt und sogar überhöht werden. Versuche haben ergeben, dass sich besonders schädlich bei diesen verdichtungsbedingten ungleichförmigen Drehmomenten die Anteile
Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik gehen Bauformen von Kolbenverdichtern hervor, bei denen das Schwingungsverhalten im Bereich höherer Drehzahlen stark verbessert ist, weil der Anteil der 1. Ordnung bei dem aus den Verdichtungskräften resultierenden Momenten stark reduziert wird. Allerdings ist ein Moment
Die
Die
Ferner liegen bei dieser vorbekannten Bauform alle Pleuel auf derselben umlaufenden Kröpfung der Kurbelwelle. Somit bilden alle vier Kurbeltriebe dieses mehrstufigen Kolbenkompressors eine umlaufende Unwucht, welche sich dynamisch schwer ausgleichen lässt. Außerdem ergibt sich im Drehkraftdiagramm ein verbleibender Anteil
Darüber hinaus weist die Sternbauform dieses vorbekannten mehrstufigen Kolbenkompressors im Vergleich zum vorstehend diskutierten Stand der Technik mit Boxerbauform eine recht große Bauhöhe auf, so dass dieser sternförmige mehrstufige Kolbenkompressor nur bedingt für einen Unterflureinbau im Schienenfahrzeug geeignet ist.In addition, the star design of this previously known multi-stage piston compressor in comparison to the prior art discussed with boxer design a fairly large height, so that this star-shaped multi-stage piston compressor is only partially suitable for underfloor installation in the rail vehicle.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen für den Schienenfahrzeugbau geeigneten mehrstufigen Kolbenkompressor zu schaffen, welcher sich durch ein minimales Schwingungsverhalten, eine geringe Bauhöhe sowie eine einfache Kühlbarkeit per Luftstrom auszeichnet.It is the object of the present invention to provide a suitable for rail vehicle multi-stage piston compressor, which is characterized by a minimal vibration behavior, low height and easy cooling by air flow.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem mehrstufigen Kolbenkompressor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.The object is achieved on the basis of a multi-stage reciprocating compressor according to the preamble of
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass bei einem mehrstufigen Kolbenkompressor in Sternbauform jeweils ein Niederdruckzylinder einem Hochdruckzylinder auf derselben Längsachse gegenübersteht und jedem mit einem Kolben versehenen Pleuel eine eigene Kröpfung der Kurbelwelle zugeordnet ist, welche derart winkelversetzt zu zumindest einer benachbarten Kröpfung angeordnet ist, dass die Kurbelwelle in eine Position bringbar ist, in welcher einer der Hochdruckzylinder in der oberen Totpunktstellung ist, während der andere Hochdruckzylinder in der unteren Totpunktstellung ist, und wobei gleichzeitig ein Niederdruckzylinder in der oberen Totpunktstellung ist, während der andere Niederdruckzylinder in der unteren Totpunktstellung ist.The invention includes the technical teaching that in a multi-stage reciprocating compressor in star design each a low-pressure cylinder facing a high-pressure cylinder on the same longitudinal axis and each piston provided with a piston own crank of the crankshaft is assigned, which is so angularly offset to at least one adjacent Kröpfung arranged the crankshaft can be brought into a position in which one of the high pressure cylinders is in the top dead center position while the other high pressure cylinder is in the bottom dead center position and at the same time a low pressure cylinder is in the top dead center position while the other low pressure cylinder is in the bottom dead center position ,
Es verdichten also nicht alle Kolben gleichzeitig, sondern jeweils die vorzugsweise beiden Niederdruckkolben um 180° versetzt und die vorzugsweise beiden Hochdruckkolben um 180° versetzt zueinander. Durch die erfindungsgemäße Lösung entsteht eine Verdichtungsfolge, die zu dem Ergebnis führt, dass jedes Ereignis einer Verdichtung in Bezug auf eine Umdrehung der gesamten Verdichtereinheit zweimal vorkommt, das aus den Gaskräften resultierende Drehmoment ist dabei frei von Anteilen
Die demgegenüber bei herkömmlichen Kolbenkompressoren vorhandenen Drehungleichförmigkeiten werden durch die elektrische Antriebseinheit sogar noch zusätzlich verstärkt, weil die Reaktion der Antriebseinheit auf eine Lastspitze phasenversetzt zu einem Zeitpunkt erfolgt, in welchem der Momentbedarf des Kolbenkompressors niedriger ist. Die daraus resultierenden verstärkten Drehzahlschwankungen über eine Umdrehung können bei herkömmlichen zweistufigen Kolbenkompressoren bis zu ±14% betragen. Dieser Effekt kann bisher nur durch den Einsatz großer Schwungmassen reduziert werden. Durch die demgegenüber erfindungsgemäß starke Reduzierung des Anteils
Diese Auswirkungen der erfindungsgemäßen Lösung bilden die Voraussetzung dafür, dass als elektrische Antriebseinheit vorzugsweise ein Synchronreluktanzmotor eingesetzt werden kann, bei dem der Läufer über eine recht geringe Masse verfügt. Außerdem ist ein solcher Synchronreluktanzmotor auch bei niedrigen Drehzahlen mit hohem Moment betreibbar. Eine variable Drehzahl kann mittels vorgeschaltetem Umrichter zwischen 15 Hz und 80 Hz geregelt werden.These effects of the solution according to the invention form the precondition for the fact that preferably a synchronous reluctance motor can be used as the electric drive unit, in which the rotor has a fairly low mass. In addition, such a synchronous reluctance motor is operable even at low speeds with high torque. A variable speed can be regulated between 15 Hz and 80 Hz by means of an upstream inverter.
Da bei der erfindungsgemäßen Lösung auf zusätzliche Schwungmassen weitestgehend verzichtet werden kann, außer zum Unwuchtausgleich, kann der Läufer des Synchronreluktanzmotors direkt auf dem Kurbelwellenende der Verdichtereinheit und der Stator des Motors direkt am Verdichtergehäuse befestigt werden. Hierdurch entsteht eine besonders kompakte Bauform. Since in the inventive solution can be largely dispensed with additional centrifugal masses, except for unbalance compensation, the rotor of the synchronous reluctance motor can be mounted directly on the crankshaft end of the compressor unit and the stator of the motor directly to the compressor housing. This creates a particularly compact design.
Gemäß einer weiteren die Erfindung hinsichtlich der Kompaktheit verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Längsachsen von Nieder- und Hochdruckzylindern sternförmig mit einem Winkel
Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Pleuel und/oder die Kolben der Hochdruckstufe aus einem Material - vorzugsweise Metall - gefertigt sind, das gegenüber den Pleuel und/oder den Kolben der Niederdruckstufe ein höheres spezifisches Gewicht aufweist. Zusätzlich können die Pleuel der Niederdruckstufe länger als die Pleuel der Hochdruckstufe ausgebildet werden und der Schwerpunkt der Pleuel der Niederdruckseite sollte kolbennäher als der Schwerpunkt der Pleuel der Hochdruckstufe liegen. Vorzugsweise sind die Pleuel der Niederdruckstufe um mindestens den Faktor 1,1 länger als die Pleuel der Hochdruckstufe. Insgesamt ergibt sich durch diese konstruktiven Maßnahmen eine schwingungsarme Masseverteilung.According to a further measure improving the invention, it is proposed that the connecting rods and / or the pistons of the high-pressure stage are made of a material, preferably metal, which has a higher specific weight compared to the connecting rods and / or the pistons of the low-pressure stage. In addition, the connecting rods of the low-pressure stage can be made longer than the connecting rods of the high-pressure stage and the center of gravity of the connecting rod of the low-pressure side should be closer to the piston than the center of gravity of the connecting rod of the high-pressure stage. The connecting rods of the low-pressure stage are preferably at least 1.1 times longer than the connecting rods of the high-pressure stage. Overall, results from these constructive measures a low-vibration mass distribution.
Sollte dennoch ein geringfügiger Massenausgleich der Kurbeltriebe, beispielsweise zur Behebung von Unwuchten, erforderlich sein, so reicht es aus, dass an den betreffenden Pleuel Zusatzmassen angebracht werden. Hierdurch braucht der Massenausgleich nicht an der Kurbelwelle vorgenommen werden.If, however, a slight mass balance of the crank mechanisms, for example, to remedy imbalances, be required, it is sufficient that additional masses are attached to the relevant connecting rod. As a result, the mass balance does not need to be made on the crankshaft.
Durch die vorstehend erläuterten Maßnahmen lassen sich die Kurbeltriebe der zweistufigen Verdichtereinheit derart ausführen, dass der Anteil der
Die sternförmige Zylinderanordnung des erfindungsgemäßen mehrstufigen Kolbenkompressors bietet die Voraussetzung dafür, dass alle Zylinder von einem Axiallüfter mit Kühlluft versorgt werden können. Eine Windschattensituation wird also vermieden. Dabei befindet sich die Ebene, durch welche jeweils zwei benachbarte Zylinder - insbesondere Hoch- und Niederdruckzylinder - gehen, senkrecht zur Strömungsrichtung der vom Axiallüfter erzeugten Kühlluft. Bei Bedarf können am Verdichtergehäuse zusätzliche Luftleitbleche angeordnet werden, welche die Kühlluft gleichmäßig in Richtung der Rippen der Zylinder leiten.The star-shaped cylinder arrangement of the multi-stage piston compressor according to the invention provides the prerequisite for the fact that all cylinders can be supplied with cooling air by an axial fan. A wind shadow situation is thus avoided. In this case, there is the plane through which two adjacent cylinders - in particular high and low pressure cylinder - go, perpendicular to the flow direction of the cooling air generated by the axial fan. If required, additional air baffles can be arranged on the compressor housing, which guide the cooling air uniformly in the direction of the ribs of the cylinders.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
-
1 zeigt eine perspektivische Außenansicht eines mehrstufigen Kolbenkompressors in 4-Zylinderbauform, -
2 zeigt eine stirnseitige Ansicht des mehrstufigen Kolbenkompressors nach1 , -
3 zeigt eine teilweise aufgebrochene Draufsicht des mehrstufigen Kolbenkompressors nach1 , -
4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Kurbelwelle der Verdichtereinheit dieses Kolbenkompressors, -
5 zeigt eine grafische Darstellung des Momentenverlaufs an der Kurbelwelle, und -
6 zeigt eine Fourier-Analyse der Lastmomente aus der grafischen Darstellung gemäß5 .
-
1 shows an external perspective view of a multi-stage piston compressor in 4-cylinder design, -
2 shows an end view of the multi-stage piston compressor after1 . -
3 shows a partially broken plan view of the multi-stage piston compressor after1 . -
4 shows a perspective view of a crankshaft of the compressor unit of this reciprocating compressor, -
5 shows a graphical representation of the torque curve on the crankshaft, and -
6 shows a Fourier analysis of the load moments from the graph according to5 ,
Nach
Die Verdichtereinheit
Aus der in
Das Verdichtergehäuse
Gemäß
Nach
Aus dem in
Wie aus der Fourier-Analyse des Lastmoments nach
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel. Es sind auch Abwandlungen hiervon denkbar, die unter den Schutzbereich der nachfolgenen Ansprüche fallen. So ist es beispielsweise auch möglich, dass eine Bauart mit mehr als 4 Zylindern, beispielsweise mit 6 oder 8 Zylindern, zum Einsatz kommt.The invention is not limited to the embodiment described above. There are also modifications thereof are conceivable, which fall within the scope of the following claims. For example, it is also possible that a design with more than 4 cylinders, for example with 6 or 8 cylinders, is used.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Antriebseinheitdrive unit
- 22
- Verdichtereinheitcompressor unit
- 33
- Kühlereinheitcooler unit
- 44
- AxiallüfterAxial
- 55
- Befestigungsmittelfastener
- 66
- Verdichtergehäusecompressor housing
- 77
- HochdruckzylinderHigh pressure cylinder
- 88th
- NiederdruckzylinderLow-pressure cylinder
- 99
- seitliche Seitenflächelateral side surface
- 1010
- untere Seitenflächelower side surface
- 1111
- Kurbelwellecrankshaft
- 1212
- Kolbenpiston
- 1313
- Pleuelpleuel
- 1414
- Kröpfung cranking
- AA
- erste Längsachsefirst longitudinal axis
- BB
- zweite Längsachsesecond longitudinal axis
- HH
- Horizontalehorizontal
- αα
- HorizontalwinkelHorizontal angle
- ββ
- Kröpfungswinkeloffset angle
- γ γ
- Winkelstellung KurbelwelleAngular position crankshaft
- MM
- Drehmomenttorque
- ff
- Frequenzfrequency
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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