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Regeleinrichtung für Drehkolbenverdichter oder Drehkolben-Expansionsmaschinen
mit einem äußeren und einem inneren Läufer Gegenstand der Erfindung ist eine Regeleinrichtung
für Drehkolbenverdichter oder Drehkolben - Expansionsmaschinen mit einem äußeren
und einem inneren Läufer, die gleichsinnig umlaufen, nach Art von innen- und außenverzahnten
Rädern, und zwar insbesondere für solche Drehkolbenmaschinen, bei denen beide Läufer
gleichsinnig drehen, in einem Übersetzungsverhältnis von n +
1 , wobei n die Zahl der n Zähne und somit eine ganze Zahl bedeutet.
Der Innenläufer hat dabei insbesondere dreieckähnlichen Querschnitt, dessen Dreieckseiten
parabolisch ausgewölbt sind, während der Hohlraum des Außenläufers ungefähr ovalen
Querschnitt aufweist. Zwischen der Außenwand des Innenläufers und der Innenwand
des Außenläufers werden dabei veränderliche Förderräume gebildet.
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Es ist das Ziel der Erfindung, die Regelung der Fördermenge bzw. der
Füllung bei derartigen Maschinen in einer Weise zu verwirklichen, daß keine oder
nur sehr geringe Beeinflussungen des Wirkungsgrades eintreten. Diese Regelung ist
besonders für solche Fälle vorteilhaft, in denen auf der Hochdruckseite mit konstantem
Druck gearbeitet wird, d. h. für Kompressoren mit gleichbleibendem Enddruck und
für Expansionsmaschinen mit konstantem Arbeitsdruck.
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Es sind Regeleinrichtungen für als Flüssigkeitspumpen verwendete Drehkolbenmaschinen
bekannt, bei denen die Fördermenge durch eine zentrisch im Innenläufer verdrehbar
angeordnete Steuerwalze oder durch einen konzentrisch um den Außenläufer gelegten
Ringdrehschieber verändert werden kann. Ferner ist auch schon ein Drehkolbenverdichter
mit einem innenverzahnten Außenläufer und einem außenverzahnten Innenläufer bekannt,
bei dem das Fördermedium den zwischen den Verzahnungen gebildeten Verdrängerzellen
durch Öffnungen in einer gegen die Zahnradseitenflächen gedrückten inneren Gehäusestirnwand
zu- und abgeleitet wird, wobei diese Stirnscheibe zur Regelung verdreht werden kann.
Bei den erwähnten bekannten Drehschieberregelungseinrichtungen wird das die Ein-
und Auslaßöffnungen tragende Verstellorgan gegenüber der durch die Drehachsen der
beiden Zahnräder bestimmten Ebene verdreht, wobei es zur Herahregelung der Fördermenge
so weit verdreht werden kann, daß Saug- und Druckseite der Pumpe während einer gewissen
Bewegungsphase in Verbindung miteinander stehen und ein direkter Kurzschluß von
der Druckseite zu der Saugseite hervorgerufen wird. Diese Art der Regelung ist gut
anwendbar bei der Förderung inkompressibler Medien. Sie ist aber nicht vorteilhaft
für Verdichter oder Expansionsmaschinen, wo gasförmige Arbeitsmedien verwendet werden,
da bei der Rückströmmöglichkeit für eine Teilmenge des Fördermediums von der Druckseite
zur Saugseite die Erreichung eines gewünschten Druckes nicht mehr beherrscht werden
kann und schwer kontrollierbare Wirkungsgradverluste auftreten.
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Bei einem Drehkolbenverdichter und sinngemäß auch bei einem Expansionsmotor
muß das Regelorgan für die Mengenregelung folgende Punkte des Arbeitsdiagramms beherrschen:
I. Einlaß schließt, II. Förderung beginnt, III. Förderung endet, IV. Einlaß öffnet.
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Im Interesse guter Wirkungsgrade sind alle vier Punkte so zu legen,
daß keine sprunghaften Druckänderungen auftreten. Es sollen daher in den Steuerpunkten
möglichst folgende Druckverhältnisse herrschen: bei I: atmosphärischer Druck bzw.
Druck des Fördermittels vor Eintritt in den Verdichter; bei II: Druck des Windkessels
bzw. der Förderleitung; bei III : Druck wie bei II ; bei IV: Druck wie bei I.
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Für Vollast und für konstante Fördermenge sind diese Bedingungen einfach
zu erfüllen, indem der Punkt I (Eimaß öffnet) dem Volumen zugeordnet wird, bei dem
die Rückexpansion aus dem Restvolumen der Verdichtung (schädlicher Raum) auf den
Einlaßdruck
abgesunken ist, und indem der Punkt III (Förderbeginn) bei Erreichung des gewünschten
Enddruckes der Verdichtung übersteuert wird.
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Damit auch für Teilmengen diese Forderungen in größter Annäherung-erfüllt-werden
können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,-in einer zentralen Bohrung des Innenläufers,
von der aus das Fördermedium den Förderräumen durch Fenster des Innenläufers zu-und
abgeleitet wird, in an sich bekannter Weise ein verdrehbares Regelorgan .vorzusehen,
welches als mehrteilige, vorzugsweise zweiteilige Steuerwalze ausgebildet ist, deren
Teile so geformt sind; daß zwischen ihnen und der Innenwand der. Bohrung des Innenläufers
Räume entstehen, die als Einlaßkanal und Druckauslaßkanal für das Fördermedium dienen
und die durch Verstellen eines Teiles der Steuerwalze teils vergrößert, teils verkleinert
werden, wobei einer Vergrößerung des Einlaßkanals- eine Verkleinerung des Druckauslaßkanals
entspright. Damit wird bei belastungsabhängiger Verstellung eines Teiles der Steuerwalze
der Einlaßbeginn und das Förderende in der Weise bestimmt, daß entsprechend den
vorher aufgestellten Forderungen keine sprunghaften Druckänderungen auftreten.
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Die Steuerwalze besteht vorzugsweise aus einer feststehenden ringsektorfönnigen
Steuerschale und einem drehbeweglichen Kernstück, welch letzteres einen zylindrischen
Kernteil, der die Steuerschale dichtend berührt, und einen- sektörförmigen Teil
aufweist, durch dessen Verschwenken der Einlaßkanal und der Druckauslaßkanal vergrößert
oder verkleinert werden. Hierbei kann derl :Winkel des Sektors konstant bleiben,
da infolge der sinusförmigen Volumenänderung des Arbeitsraumes über dem Drehwinkel
eine weitgehende Angleichung ari die oben aufgestellten Druckbedingungen. möglich
ist. Auf diese Annäherung wird später im Zusammenhang mit der Beschreibung der Zeichnungen
noch näher eingegangen.
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Es sei bemerkt, daß diese Form der Steuerwalzenteile, nämlich eine
ringsektorförmige Schale und ein sektorförmiges Kernstück, für andere Anwendungsgebiete
bereits bekannt ist.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist der feststehende Teil
der Steuerwalze je nach dem gewünschten Enddruck der Verdichtung auswechselbar oder
verstellbar.
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Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens dienen die Fig. 1 bis 6. Es
zeigt Fig. 1 einen innenachsigen Drehkolbenverdichter mit Drehzahlverhältnis
2:3 von Innenläufer zu Außenläufer im Querschnitt bei- Vollförderung im Augenblick
Förderende, Fig. 2 die- gleiche Maschine bei Teilförderung im Augenblick Förderende,
Fig. 3 das p-v-Diagramm für Vollförderung, Fig. 4 das p-v-Diagramm für Teilförderung,
Fig. 5 den Zusammenhang zwischen Volumen und Winkelstellung des Innenläufers für
die in Fig. 1 gezeigte Maschine und Fig. 6 eine Reihe von p-v-Diagrammen für verschiedene
Lastzustände und zwei .verschiedene Regelkennlinien.
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In der als Beispiel gewählten Drehkolbenmaschine mit einem Übersetzungsverhältnis
von 2:3 zwischen Innen- und Außenläufer ist mit 1 der schneller drehende
Außenläufer bezeichnet. Der Innenläufer 2 ist exzentrisch zum Außenläufer 1 gelagert
und berührt diesen ständig abdichtend in drei Punkten. Zwischen Innen- und Außenläufer
sind die drei Arbeitskammern K1, K2 und "K3 eingeschlossen. Im Innen-Läufer 2 sind
Steuerfenster 3, 4 und 5 angeordnet, die in den achsennahen Zonen des Innenläufers
liegen, um den schädlichen Raum so gering wie möglich zu halten. In Fig. 1 wird
dieser schädliche Raum also durch die Volumina der- Kammer K2 und des Fensters 4
gebildet.
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Der Innenläufer rotiert um die feststehende Steuerwalze, die eine
feststehende ringsektorförmige Steuerschale 6 und ein drehbewegliches Kernstück
7 aufweist und in die zentrale Bohrung des Innenläufers 2 eingesetzt ist, deren
Innenwand mit 2 a bezeichnet ist. Das drehbewegliche Kernstück 7 besteht aus einem
zylindrischen Kernteil 7a, der die Steuerschale 6 dichtend berührt, und aus einem
sektorförmigen Teil 7 b. Zwischen den Teilen 6, 7 und der Innenwand 2 ca
befinden sich der Einlaßkanal 9 und der Druckauslaßkanal 8 für das Fördermedium.
Die Kanäle 8, 9 kommen durch die Fenster 3, 4, 5 mit den Räumen K1, K2 und K2 in
Verbindung. Bei Betrachtung der Verhältnisse für einen Verdichter und bei rechtsdrehend
angenommenem Außen- und Innenläufer steuert die Kante 10 der Steuerschale 6 den
Punkt »Einlaß schließt«, die Kante 11 der Steuerschale 6 den Punkt »Förderbeginn«,
die Kante 12 des Kernteiles 7b den Punkt »Förderende« und die Kante 13 des Kernteiles
7 b den Punkt »Einlaßbeginn«.
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In der in Fig. 1 dargestellten Phase, in welcher die Kammer K2 im
Augenblick ihres kleinsten Volumens in Erscheinung tritt und der schädliche Raum
somit aus den Volumina der Kammer K2 und des Fensters 4 besteht, ist der Hochdruckkanal
8, der mit der Druckleitung bzw. dem Windkessel in Verbindung steht, gerade gegenüber
dem Fenster 4 abgesteuert. Der Einlaßkanal 9 steht über das Fenster 5 mit der sich
vergrößernden Kammer K' in Verbindung, während die Kammer K1 allseitig abgeschlossen
ist und sich in der Verdichtungsperiode befindet.
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Da das Förderende im Augenblick des kleinsten Volumens der Kammer
K2 erfolgt, entspricht die dargestellte Lage des Kernstücks 7 der Steuerwalze der
Vollförderung. Durch geeignete Bemessung der Breite des Fensters 4 und des Sektors
7 b wird erreicht, daß im Augenblick »Einlaß öffnet« die Rückexpansion des
schädlichen Raumes bis auf den Einlaßdruck stattgefunden hat.
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In Fig. 2 ist die gleiche Maschine wie in Fig. 1 dargestellt, jedoch
ist nun das Kernstück 7 der Steuerwalze auf Teilförderung verdreht. Sämtliche Bezugszeichen
stimmen mit denjenigen in Fig. 1 überein. Es ist zu erkennen, daß der Steuerpunkt
»Förderende« erst in einem wesentlich späteren Augenblick erreicht wird. Die Kammer
K2 ist gegenüber ihrem in Fig. 1 erkennbaren kleinsten Volumen angewachsen. Es ist
auch hier dafür zu sorgen, daß im Moment des Überstcuerns des Fensters 4 durch die
Kante 13 des Sektorteiles 7 b die Rückexpansion der Kammer K2 auf den Einlaßdruck
erfolgt ist.
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Bei Änderungen der Förderung bleibt die Schale 6 der Steuerwalze stehen.
Ihre Abmessung richtet sich nach dem gewünschten Enddruck der Verdichtung, da die
Kante 11 in dem Augenblick das Fenster 4 freigeben muß, in dem der Kammerdruck gleich
dem geforderten Leitungsdruck ist.
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Dem in Fig. 3 dargestellten p-v-Diagramm liegen die Steuerzeiten der
Drehkolbenmaschine nach Fig. 1 zugrunde. Auch hier soll der Einfachheit halber nur
die Funktion als Verdichter betrachtet werden. Durch die Steuerkante 10 wird der
Einlaß bei Maximalvolumen der Kammer geschlossen. Der entsprechende Punkt des Diagramms
ist mit I bezeichnet. Die Verdichtung wird bis zum Punkt II getrieben, in welchem
die
Steuerkante 11 den Förderanfang freigibt. Die Kompressionslinie wird bei den für
Drehkolbenmaschinen üblichen hohen Drehzahlen in guter Annäherung auf einer adiabetischen
Kurve verlaufen. Von Punkt II bis III erfolgt bei konstantem Gegendruck das Ausschieben
der Ladung, das durch die Steuerkante 12 in dem Augenblick beendet wird, in dem
das Minimalvolumen des schädlichen Raumes erreicht ist. Anschließend findet die
Rückexpansion aus dem schädlichen Raum statt, die im Punkt IV die atmosphärische
Linie bzw. den Einlaßdruck erreicht, worauf durch die Steuerkante 13 der Einlaß
öffnet und von IV -I etwas unterhalb des Einlaßdruckes der Ansaugvorgang stattfindet.
Mit VS ist das Volumen des schädlichen Raumes bezeichnet.
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Fig. 4 zeigt das p-v-Diagramm, in welchem die Verhältnisse für eine
Teilfüllung dargestellt sind. Die Punkte I und II bleiben gegenüber der Vollfüllung
unverändert. Zwischen II und III erfolgt wiederum bei konstantem Druck der Fördervorgang,
der jedoch über das Minimalvolumen hinaus bis zum Punkt III a ausgedehnt wird. Während
der Volumenänderung von III nach III a läuft daher der Verdichter als Expansionsmaschine.
Vom Punkt III a an tritt die Expansion ein, die in Punkt IV den Einlaßdruck erreicht.
In diesem Augenblick soll durch die gemeinsam mit der Kante 12 verstellte Kante
13 des Sektorteiles 7 b der Ansaugkanal 9 freigegeben werden.
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In Fig. 5 ist der Zusammenhang zwischen dem Kammervolumen und dem
Drehwinkel des Innenläufers gezeigt. Der Verlauf ist rein sinusförmig. Ausgehend
von dem schädlichen Volumen VS wird nach 180° das Maximalvolumen h.., erreicht.
Es ist schon aus diesem Verlauf zu erkennen, daß in der Nähe des Minimalvolumens
eine Verdrehung des Innenläufers nur eine geringe Zunahme des Kammervolumens bedingt.
Dagegen ist bei 90° Entfernung aus der Totlage der Zuwachs des Kammervolumens am
stärksten. Es wird daher bei einer Verdrehung des Kernstückes 7 um einen festen
Winkel die Zunahme des schädlichen Raumes sehr viel geringer sein als die Verschiebung
des im p-v-Diagramm mit IV bezeichneten Punktes »Einlaßanfang«.
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Fig. 6 zeigt ein p-v-Diagramm mit adiabetischer Verdichtung und Rückexpansion
für verschiedene Regelzustände des Verdichters. Die gestrichelt eingezeichneten
Kennlinien geben hierbei die Druckverhältnisse an, die bei konstant gehaltenem Kernteil
7 im Augenblick »Einlaß öffnet« auftreten. Der Linienzug 3/4 ist für den Fall gültig,
in dem bei Dreiviertellast des Verdichters der Punkt IV genau auf der atmosphärischen
Linie liegt. Für die Regelkurve 1/2 ist dieser exakte Regelwert auf Halblast verlagert.
In beiden Fällen betragen die Abweichungen zwischen dem Enddruck der Expansion und
dem atmosphärischen Druck nur wenige Zehntel Atmosphären. Es ist daher durch die
vorgeschlagene Regeleinrichtung tatsächlich ein stoßfreier Druckverlauf bei Öffnen
des Einlaßorgans gegeben, durch den eine hohe Wirtschaftlichkeit des Kompressors
gewährleistet ist.