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Gebläse bzw. Verdichter der Vielzellen-Bauart Die Erfindung betrifft
ein Gebläse bzw. einen Verdichter der Vielzellen-Bauart, bei dem in einem mit Einlaß-
und Auslaßschlitzen ausgestatteten Arbeitszylinder ein exzentrisch zur Zylinderachse
drehbar angeordneter Läufer rotiert, der in radialen oder angenähert radialen Nuten
mit plattenförmigen Arbeitsschiebern (sogenannten Drehkolben) bestückt ist, die
beim Umlauf des Läufers unter der Wirkung der Zentrifugalkraft einen Hub von der
Größe des doppeltem Wertes der Exzentrizität e ausführen: und sich dabei mit ihren
beiden Enden an. von ihnen in. Drehung versetzten, in Aussparungen. des Arbeitszylinders
drehbar gelagerten Laufringen abstützen.
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Ein bedeutender Mangel dieser an sich sehr einfach aufgebauten Gebläse-
bzw. Verdichterbauart ist bis jetzt der verhältnismäßig schlechte mechanische Wirkungsgrad.
Dies rührt maßgebend davon her, daß die plattenförmigen Arbeitsschieber von der
Breite B, der Höhe H und der Dicke d bei jedem Umlauf des Läufers
zweimal mit dem, Teilwert 2 - e - B der Seitenfläche B - H in dien
Nuten des Läufers anreiben,. Auf Grund der Trägheitswirkung und wegen des auf ihnen
lastenden Verdichtungsdruckes stellen sich die Arbeitsschieber außerdem beim Umlauf
so weit schräg in die Nuten, wie dies ihr Laufspiel in den Nuten zuläßt. Dadurch
entstehen am Läuferumfang zusätzliche Kantenwirkungen zwischen Arbeitsschieber und
aufnehmender Nut, was verstärkte Reibungskräfte und damit auch Verschleiß an den
Arbeitsschiebern zur Folge hat.
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Enthält der Läufer eine große Anzahl von Arbeitsschiebern, derVerdichter
also viele Zellen (Vielzellen-Bauart), so können bei gutem Liefergrad verhältnismäßig
hohe Verdichtungsdrücke erzeugt, d. h. relativ hohe Druckverhältnisse p2/p1 verwendet
werden. Obwohl in diesem Fall der für den Durchsatz des Mediums (Luft, Gas) durch
den Verdichter aufzubringende Leistungsaufwand hoch ist, also der thermodynamische
Aufwand in einem günstigen Verhältnis zum mechanischen oder Reibungsaufwand steht,
kann ein befriedigender adiabatischer Wirkungsgrad bei Vielzellen-Verdichtern wegen
des bisher schlechten mechanischen Wirkungsgrades nur sichergestellt werden, wenn
die Umfangsgeschwindigkeit des Läufers verhältnismäßig niedrig gehalten wird.
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Ist der Läufer nur mit wenigen Arbeitsschiebern ausgerüstet, weil
nur Druckverhältnisse von p2/p1 = 1,2 bis 1,7 zu überwinden sind, d. h. weil es
sich um ein Drehkolbengebläse handelt, wie es z. B. zum Laden oder Aufladen von
Diesel- und Ottomotoren benötigt wird, so fällt der Leistungsaufwand für die Überwindung
der Reibungskräfte wegen der geringeren .Zahl der Arbeitsschieber naturgemäß geringer
aus, wenn der Läufer die gleiche Umfangsgeschwindigkeit aufweist wie der vorhin
behandelte Vielzellen-Verdichter. Da aber beim Drehkolbengebläse mit seiner kleineren
Anzahl von Arbeitsschiebern die Spaltverluste entsprechend anwachsen, muß zur Sicherstellung
eines hohen Liefergrades die Umfangsgeschwindigkeit des Läufers erhöht werden> Da
aber die Massenkräfte und damit eine Reihe damit zusammenhängender Reibungsvorgänge
mit dem Quadrat derUmfangsgeschwindigkeit anwachsen, andererseits der für den Durchsatz
des Mediums (Luft, Gas) aufzubringende thermodynamische Aufwand je m3 bzw. je kg
bei einem Gebläse gering ist, steht bei dem schnell laufenden Drehkolbengebläse
der Vielzellen-Bauart der thermodynamische Leistungsaufwand sogar bei verhältnismäßig
wenigen Arbeitsschiebern in einem (noch) weniger günstigen Verhältnis zum mechanischen
Leistungsaufwand als bei dem mit hohem Druckverhältnis p2/p,_ arbeitenden Drehkolbenverdichtern
anderer Bauarten. Der adiabatische Wirkungsgrad der bekannten Vielzellen-Drehkolbengebläse
hat daher nicht den Wert, den er aufweisen könnte, wenn die Reibungsverluste vermindert
werden würden.
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Die Erfindung bezweckt in Erkenntnis dieser Sachlage und der ihr innewohnenden
Gründe eine wesentliche Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrades bei Gebläsen
bzw. Verdichtern der Vielzellen-Bauart.
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Nachdem das Gebläse bzw. der Verdichter der Vielzellen-Bauart auf
eine verhältnismäßig lange Entwicklungszeit zurückblicken kann, ist es erklärlich,
daß schon verschiedene Vorschläge gemacht wurden, die darauf hinzielen, die Reibungsverhältnisse
zu verbessern. Diese Vorschläge befassen sich insbesondere damit, die Reibung der
umlaufenden Schieber am Arbeitszylinder herabzusetzen oder ganz zu unterbinden,
beispielsweise dadurch, daß zwei einander gegenüberliegende Schieber miteinander
fest verbunden
und durch Gleitschuhe auf kreisrunden Führungsbahnen
gehalten und geführt werden, die konzentrisch zur Achse des Arbeitszylinders auf
beiden stirnseitigen Deckeln des Gebläses angeordnet sind und wobei ferner die Zylinderbohrung
unrund gebohrt ist. um die Drehung der Arbeitsschieber vornehmen zu können (Zoller-Bauart
und andere Bauarten ähnlicher Art).
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Ein anderer bekannter Vorschlag verhindert die Berührung der Arbeitskanten
der Schieber an der Zylinderwand dadurch, daß jeder plattenförmige Schieber an seinen
deckelseitigen Stirnseiten mit je einem zylindrischen Zapfen fest verbunden ist,
wobei die Zapfen in Flucht liegen und zur Läuferachse parallel sind. Beim Umlauf
der Schieber mit dem Läufer werden die Zapfen derArbeitsschieber auf dem Innenumfang
einer kreisförmigen Bahn, die konzentrisch zur Bohrung des Arbeitszylinders in den
beiden stirnseitigen Abschlußdeckeln des Vielzellen-Verdichters untergebracht ist,
herumgeführt. In Abweichung voll der üblichen Bauweise, wo sich bekanntlich die
frei beweglichen Arbeitsschieber mit einem Teil ihrer Arbeitskante gegen drehbar
in endseitigen Aussparungen der Zylinderwand angeordnete Laufringe abstützen und
diese beim Umlauf mitnehmen, ist bei dem erwähnten Vorschlag die Anordnung lediglich
so getroffen, daß die endseitigen Laufringe in die Gehäusedeckel verlegt sind. Eine
Verringerung der Reibungskräfte, insbesondere jener auf die große Oberfläche der
Schieber wirkenden, ist aber weder bei diesem Vorschlag noch bei den zuerst erwähnten
Vorschlägen erfolgt, da, gleichgültig ob die Abstützung der Arbeitsschieber gegen
die Wirkung der Zentrifugalkraft durch am Außenumfang drehbar angeordnete Laufringe
oder durch in den Gehäusedeckeln angeordnete Führungsbahnen in der Nähe derLäuferwelle
erfolgt, stets Gleitbewegungen gegen die Wirkung der Zentrifugalkraft auftreten,
zu deren Aufrechterhaltung bei einem bestimmten Schiebergewicht und bei einer bestimmten
Umfangsgeschwindigkeit fast die gleiche Leistung aufzubringen ist, gleichgültig
wie die Schieberabstützung im einzelnen durchgeführt ist.
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Die Erfindung verbessert den mechanischen Wirkungsgrad der Gebläse
bzw. Verdichter der Vielzellen-Bauart und nach diesem Prinzip aufgebauter Kraftmaschinen
dadurch, daß sie vor allem die Reibungskräfte herabsetzt, die zwischen dem Läuferkörper
und den plattenförmigen Arbeitsschiebern auftreten. Das Neue besteht darin, daß
die Arbeitsschieber von den Nuten des Läufers. in denen sie sich hin- und herbewegen,
ferngehalten werden. Sie sind zu diesem Zweck an ihren stirnseitigen Enden mit Führungskolben
ausgerüstet, die mit geringem Laufspiel in Bohrungen des Läufers gelagert sind.
Die sich über die Arbeitskante der Schieber geringfügig hinaus erstreckenden Führungskolben
der Arbeitsschieber stützen sich in üblicher Weise an Laufringen ab, die in Aussparungen
der Bohrung des Arbeitszylinders drehbar gelagert sind. Die die Führungskolben der
Arbeitsschieber aufnehmenden Bohrungen im Läufer können erfindungsgemäß in besonderen
Patronen, die ihrerseits in den Läuferkörper eingesetzt, z. B. -eingeschraubt oder
eingepreßt sind, untergebracht sein.
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Der Zweck dieser Maßnahme ist, unabhängig vorn Werkstoff des Läuferkörpers
bei den Führungskolben und den sie aufnehmenden Patronen Werkstoffe mit den bestmöglichen
Lauf- und Gleiteigenschaften kombinieren zu können. Um die Reibung der Führungskolben
in den sie aufnehmenden Bohrungen bz«-. Patronen des Läufers soweit wie möglich
herabzusetzen, wird das Schmieröl in üblicher Weise durch Leitungen bzw. Bohrungen
jeder Aussparung in der Zylinderwand zugeführt, in der sich ein Laufring befindet,
wobei beim Gegenstand der Erfindung die Anordnung ferner so getroffen ist, daß jeder
Laufring eine am Außenumfang befindliche Schmierrinne aufweist, die an mehreren
Stellen des Laufringumfanges durch Querbohrungen Schmieröl auf den Innenumfang des
Laufringes übertreten läßt. Diese Querbohrungen liegen in der gleichen Ebene wie
die Achsen der Führungskolben. so daß beim Druckstoß der Schmierstoffpumpe periodisch
die sich beim Umlauf des Läufers ständig ändernden Berührungsstellen der Führungskolben
am Lauf ringinnenumfang mit Schmieröl versorgt werden.
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Jeder Arbeitsschieber kann erfindungsgemäß mit mehr als nur zwei an
den beiden Arbeitsschieberenden angeordneten Führungskolben ausgestattet sein. Während
die endseitigen Führungskolben die Arbeitskante des Schieber: um so viel überragen,
daß bei ihrer Anlage an den Laufringen der gewünschte, geringe Spalt zwischen der
Innenwand des Arbeitszylinders und der Arbeitskante des Schiehers sichergestellt
ist, schließen die zwischen den endseitigen Führungskolben vorgesehenen weiteren
Führungskolben genau mit der Arbeitskante der Arbeitsschieber ab. Wenn nach dem
vorstehenden Vorschlag je Arbeitsschieber mehr als nur zwei endseitige Führungskolben
vorgesehen werden, dann kann für die Arbeitsschieber ein spezifisch besonders leichter
und damit auch bei sehr hohen Drehzahlen nur geringe Zentrifugalkräfte hervorrufender
Werkstoff verwendet werden, ohne daß bei hohen Verdichtungsdrücken ein schädliches
Durchbiegen der Arbeitsschieber zu befürchten ist, da die Durchbiegelänge durch
die Mehrzahl der Führungskolben begrenzt wird.
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Bei sehr hoher Drehzahl bzw. Umfangsgeschwindigkeit des Läufers, wo
inan zwecks Vermeidung sehr großer Zentrifugalkräfte und insbesondere zwecks Ausschaltung
übermäßig hoher Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte derArbeitsschieber auf besonders
leichte Arbeitsschieber unbedingt angewiesen ist, ge-,tattet es die Erfindung, Werkstoffe,
z. B. Kunststoffe, wie Hartpapier u. dgl., von sehr geringer Wandstärke für die
Arbeitsschieber zu verwenden, deren Anwendung für längeren Betrieb bisher ausgeschlossen
war, weil derartige Arbeitsschieber nach kurzer Zeit bisher an der Berührungsstelle
mit den Laufringen durch Druck und Hitze unfehlbar zerstört wurden. Bei der Erfindung
erfolgt jedoch die Berührung der Arbeitsschieber an den Laufringen ausschließlich
über die Führungskolben, deren Härte an der Berührungsstelle auf das höchstmögliche
Maß gebracht ist. so daß der Werkstoff der Arbeitsschieber selbst für den Berührungsvorgang
an den Laufringen außer Betracht bleiben kann. Es ist bereits bekannt, die Läufertrommel
aus Leichtmetall herzustellen, und bei einem Vorschlag dieser Art sind aus Gründen
der Gewichtsverminderung die Arbeitsschieber gleichfalls aus Leichtmetall angefertigt,
und es sind die Trommelschlitze, in denen die Arbeitsschieber laufen, mit Führungsblechen
ausgekleidet, da man Leichtmetall nicht auf Leichtmetall gleiten lassen kann. Bei
dem Gegenstand der Erfindung tritt ein derartiges Problem gar nicht auf.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel schematisch
dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch ein Drehkolbengebläse
mit z. B. vier Arbeitsschiebern,
Fig. 2 einen Querschnitt durch
die Laufringpartie nach Linie A-A der Fig. 1, Fig. 3 die Teilansicht eines Arbeitsschiebers.
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Es bezeichnet 1 den Arbeitszylinder, 2 und 3 die stirnseitigen Deckel,
4 den Läufer, 5 die Läuferwelle, 6 und 7 die an den Stirnseiten des Arbeitszylinders
1 in Aussparungen seiner Bohrung drehbar gelagerten Laufringe, 8, 9', 10 und 11
die vier Arbeitsschieber. Der Läufer 4 ist gegen die Bohrung des Arbeitszylinders
1 um den Betrag e exzentrisch versetzt und in den Deckeln 2, 3 drehbar gelagert.
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Jeder Arbeitsschieber 8, 9, 10, 11 ist an seinen Enden mit einem Führungskolben
12, 13 fest verbunden. Abweichend von der Zeichnung, wo die Achse jedes Führungskolbens
auf der Läuferachse senkrecht steht, können die Achsen der Führungskolben und damit
auch die Achsen der die Führungskolben aufnehmenden Bohrungen 14, 15, 16, 17 von
der Richtung des Läuferradius abweichen, d. h. einen Kreis tangieren, dessen Durchmesser
kleiner ist als der Läuferdurchmesser. Der Durchmesser der Führungskolben 12, 13
ist zweckmäßig ein Mehrfaches der Arbeitsschieberdicke d. Die Führungskolben 12,
13, die sich im gezeichneten Beispiel gegen die Laufringe6, 7 abstützen, überragen
die Arbeitskante der Arbeitsschieber um den Betrags, d. h. um den Spalt, der zwischen
der Arbeitskante, des Schiebers und der Zylinderwandung konstruktiv vorgesehen ist,
um einerseits höchstmöglichen Liefergrad sicherzustellen und Anreiben der Arbeitskante
an die Zylinderwand auszuschließen. Der Kopf des Führungskolbens wird zweckmäßig
dachförmig abgeschrägt, wie Fig. 3 zeigt, und erhält eine schmale Anlauffläche für
die Abstützung am Laufring.
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Die Laufringe 6, 7, die in bekannter Weise aus gehärtetem Stahl bestehen,
weisen am Außenumfang eine Rinne auf, die sich mit Schmierstoff anfüllen kann, der
von der Schmierstoffpumpe in die Aussparungen gepumpt wird, in denen die Laufringe
drehbar gelagert sind. Durch Querbohrungen im Laufring, von denen in der Zeichnung
die Bohrungen 18 und 19 sichtbar sind, wird das Schmieröl der Laufringinnenseite
in üblicher Weise zugeführt. Wie die Fig. 1 zeigt, ist die Anordnung dabei so getroffen,
daß die Führungskolben 12, 13 in der gleichen Ebene liegen wie die Schmierölquerbohrungen,
so daß die Abstützungsstelle der Führungskolben am Laufring ständig auf kürzestem
Weg mit Schmierstoff versorgt wird, um die Gleitbewegungen so reibungsfrei wie möglich
zu machen und das Schmieröl auf die Führungskolben selber zu bringen, damit ihre
Hin- und Herbewegung in den Läuferbohrungen 14, 15, 16, 17 ausreichend geschmiert
wird.
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Alle Maßnahmen der Erfindung können mit gleichem Vorteil auf beliebige
Vielzellen-Drehkolbenmaschinen übertragen werden: sie können auch auf die sogenannten
Kapselwerke übernommen werden, wo die Schieber nicht im umlaufenden Läufer verschiebbar
gelagert sind, sondern im Arbeitszylinder selbst und unter Federkraft stehen.
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y Die Ausrüstung der plattenförmigen Arbeitsschieber von Drehkolbenmaschinen
der Vielzellen-Bauart mit Führungskolben, die die Führung der Schieber im Läuferkörper
übernehmen und je nach Bemessung der Nutbreite, der Schieberdicke und des Durchmessers
der Führungskolben die Arbeitsschieber angenähert oder sogar gänzlich von den Wandungen
der Läuferschlitze fernhalten, erhöht den mechanischen Wirkungsgrad ganz wesentlich
und verbessert damit den adiabatischen Wirkungsgrad von Drehkolbenmaschinen beträchtlich,
wie ausgedehnte Prüfstandv ersuche erwiesen haben. Darüber hinaus ermöglicht es
die Erfindung nunmehr, für die Arbeitsschieber spezifisch extrem leichte, insbesondere
nichtmetallische Werkstoffe vorzusehen, die es bei voller Beherrschung der Massenkräfte
gestatten, die Drehzahl bzw. die Umfangsgeschwindigkeit des Läufers erheblich zu
steigern, ohne die Lebensdauer der Arbeitsschieber zu beeinträchtigen, da beim Gegenstand
der Erfindung die Arbeitsschieber die Abstützung an den Laufringen mit Hilfe der
Führungskolben durchführen, so daß es nunmehr möglich geworden ist, für die Arbeitsschieber
Werkstoffe zu verwenden, die bisher für solche Zwecke im Dauerbetrieb als vollkommen
unbrauchbar angesehen wurden.