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Vorrichtung zur Regelung einer Schraubenradmaschine Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur Regelung einer Schraubenradmaschine, insbesondere
einer zur Kühlung od. dgl. verwendeten Expansionsmaschine, die mindestens einen
männlichen und einen weiblichen Rotor aufweist, die mit schraubenförmigen Kämmen
und Nuten ineinandergreifen und von einem doppelzylindrischen Gehäuse dichtend umgeben
sind, das eine Hochdruck- und eine Niederdrucköffnung bildet, wobei die Rotoren
derart ausgebildet sind, daß paarweise kommunizierende Nutenräume Kammern bilden,
die bei Verdrehung der Rotoren zwischen der Einlaß-Hochdrucköffnung und der Auslaß-Niederdrucköffnung
ihre axiale Lage ändern und mittels der vorhergehenden und nachfolgenden Kämme und
der Mantel- und Stirnwände des doppelzylindrischen Gehäuses geschlossen sind, wobei
die Größe des jeweils gebildeten Kammervolumens von der Winkellage der Rotoren bei
der Abdichtung im Verhältnis zur Winkellage beim Öffnen durch eine von der Hochdruckseite
beaufschlagte Kolbensteuerung kontinuierlich veränderlich ist, die auf einen Schieber
wirkt, durch den ein Teil der wirksamen Kantenlänge der Hochdrucköffnung in der
axialen Richtung der Rotoren einstellbar ist.
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Eine derartige Schraubenrad- bzw. Expansionsmaschine soll zweckmäßig
in der Weise ausgebildet sein, daß sie bei verschiedenen Druckverhältnissen zwischen
dem zu- und abgeführten Medium mit hohem Wirkungsgrad arbeitet. Dabei ergibt sich
die Schwierigkeit, daß die Expansion in einer sowohl vom Einlaß als auch vom Auslaß
getrennten, abgeschlossenen Kammer vor sich geht und daß daher das durch die Konstruktion
bedingte, sogenannte Nenndruckverhältnis der Maschine, d. h. das Verhältnis zwischen
dem Druck des der Kammer zugeführten Mediums und dem Druck des daraus abgeführten
Mediums nicht von den Absolutwerden der im Einlaß- bzw. Auslaßabschnitt der Maschine
vorherrschenden Drücke abhängt. Es wurde nun gefunden, daß es durch Änderung der
Größe der Einlaßöffnung nicht nur möglich ist, die Menge des durchfließenden Gases,
sondern auch die Größe der Expansionskammer im Zeitpunkt ihrer Trennung zu beeinflussen
und so das Nenndruckverhältnis der Maschine zu ändern.
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Es ist zwar ein Schraubenradkompressor mit einem das Kompressionsverhältnis
beeinflussenden Füllungsregler bekannt, wobei die Kolbensteuerung des Füllungsreglers
aber nur von der Hochdruckseite des Schraubenradkompressors beaufschlagt ist und
die Aufgabe hat, den Kompressor derart zu steuern, daß er beim Anlaufen gegen einen
zunächst noch weit unter dem endgülten Druck liegenden Windkesseldruck einen besseren
Wirkungsgrad hat. Im eigentlichen Betriebsbereich beeinflußt dieser Füllungsregler
die Einstellung des Schraubenradkompressors nicht.
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Bei einer Expansionsmaschine beispielsweise für die Kühlung der Eintrittsluft
eines Flugzeuges ergeben sich demgegenüber jedoch besondere Probleme, weil das tatsächliche
Verhältnis zwischen Einlaß- und Auslaßdruck in der Maschine nicht konstant ist,
sondern mit der Flughöhe schwankt. Bei niedrigen Flughöhen beträgt das tatsächliche
Druckverhältnis maximal etwa 10: 1 und hängt von der Fluggeschwindigkeit ab; bei
zunehmender Flughöhe steigt dieses Verhältnis zuerst bis auf etwa 15:1 an, um sodann
auf etwa 1,5:1 abzufallen.
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Von dieser bekannten Vorrichtung zur Regelung einer Schraubenradmaschine
unterscheidet sich die erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung dadurch, daß der die
einstellbare Kante aufweisende Schieber mit einem Ausgleichskolben gekuppelt ist,
der einerseits dem Druck des Arbeitsmittels in der Einlaßöffnung der Schraubenradmaschine
ausgesetzt und andererseits an die Außenluft angeschlossen ist.
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Infolge dieser Gestaltung hat die erfindungsgemäße Vorrichtung die
Wirkung, daß sie den Schraubenradexpander unter allen Betriebsbedingungen, nicht
nur beim Anfahren desselben, auf den optimalen Wirkungsgrad einregelt, insbesondere
auch bei Verwendung der Schraubenradmaschine als Expansionsmaschine für die Kühlvorrichtung
eines Flugzeuges, wobei die Gegendrucke der Außenluft stark wechseln. Diese Änderungen
des Gegendruckes werden durch Anwendung eines einerseits an diesen Gegendruck und
andererseits an die Hochdruckseite (Einlaßseite der Expansionsmaschine) angeschlossenen
Differentialkolbens
in wirksamer Weise berücksichtigt. Dadurch
wird der Schraubenradmaschine der eingangs gekennzeichneten Art ein ganz neues technisches
Anwendungsgebiet erschlossen, auf dem nunmehr die technischen Vorteile von Schraubenradmaschinen
unbehindert in völlem Umfang ausgenutzt werden können.
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Der Erfindungsgedanke kann bei verschiedenen Anwendungsfällen verwertet
werden, wird aber im folgenden in Verbindung mit dem Kühlsystem eines Flugzeuges
erläutert. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf diesen Anwendungsfall
beschränkt ist.
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Vorzugsweise weist dieser Schieber zwei Hüllflächen auf, die einen
Teil der Umfangsfläche je eines Rotors bedecken. Das gegen die Einlaßöffnung weisende
Ende des Schiebers hat eine Ausnehmung mit zwei Kanten, von denen jede an einer
der beiden Hüllflächen parallel zu den Kämmen des zugeordneten Rotors angeordnet
ist und die in axialer Richtung gegeneinander so versetzt sind, daß ihr Abstand
an der Trennlinie zwischen den Hüllflächen gleich dem Axialabstand zwischen den
zusammenarbeitenden Kämmen der männlichen bzw. weiblichen Rotoren ist. Dadurch werden
die Nuten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kämmen jedes der beiden Rotoren, welche
die Expansionskammer bilden, im gleichen Zeitpunkt abgeschlossen.
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Der Schieber kann auf verschiedene Weise in der Maschine gelagert
sein. Wenn die auf den Schieber wirkenden Kräfte relativ klein sind, ist es vorteilhaft,
den Schieber auf einem im Gehäuse befestigten Dorn axial verschiebbar anzuordnen.
Besonders vorteilhaft ist es in diesem Falle, den Schieber auf dem Dorn mittels
einer oder mehrerer Wälzlager mit Kugelumlauf zu lagern. Wenn andererseits die auf
den Schieber wirkenden Kräfte relativ groß sind, kann es sich als schwierig erweisen,
den Dorn genügend starr auszubilden, und es ist in diesem Falle zweckmäßig, den
Schieber unmittelbar mit seinem Außenmantel im Gehäuse verschiebbar zu lagern.
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Die Steuerung der Expansionsmaschine soll vorzugsweise in Abhängigkeit
vom Druck in der Einlaßöffnung automatisch erfolgen, weil der Druck in der Auslaßöffnung
unabhängig von der Flughöhe ungefähr konstant gehalten werden soll. Es ist daher
zweckmäßig,' eine Steuervorrichtung vorzusehen, die unmittelbar von dem Einlaßdruck
beeinflußt wird. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn die
Steuervorrichtung von der Differenz zwischen dem Druck des Arbeitsmediums im Einlaß
und dem Druck eines Bezugsmediums, das üblicherweise die das Flugzeug umgebende
Luft ist, beeinflußt wird. Die Steuervorrichtung ist dann vorzugsweise mit einem
Steuerkolben ausgestattet, der auf der einen Seite durch das Arbeitsmedium im Einlaß
und auf der anderen Seite durch das Bezugsmedium beaufschlagt wird und dessen jeweilige
Lage durch eine oder mehrere druckausgleichende Federn bestimmt wird. Der Steuerkolben
kann, wenn die Steuervorrichtung entsprechend ausgebildet ist, unmittelbar mit dem
Schieber verbunden sein. In besonderen Fällen kann auch eine Getriebeübersetzung
erforderlich sein, insbesondere, wenn der Schieber nicht axial bewegbar ist, sondern
einer Steuervorrichtung mit einem oder mehreren in ihrer Winkellage verstellbaren
Schiebern verwendet wird.
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Die Verstellung des Schiebers zur Steuerung der Größe der Einlaßöffnung
kann auch auf andere Weise dadurch erreicht werden, däß z. B. der Schieber durch
einen von der Expansionsmaschine angetriebenen Geschwindigkeitsregler beeinflußt
wird.
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Das Arbeitsmedium der Expansionsmaschine ist vorzugsweise Luft, die
z. B. von einem einen Bestandteil des Flugzeugantriebsaggregats bildenden Kompressor
geliefert wird. Ein Ausführungsbeispiel und die Wirkungsweise der Erfindung sei
nachfolgend an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt
durch eine Expansionsmaschine entsprechend der Linie 1-1 in Fig. 2, Fig.2 einen
Querschnitt im Bereich der Rotoren durch die Ausführung nach Fig. 1, Fig. 3 ein
Diagramm, aus dem die Verluste zu entnehmen sind, die auftreten, wenn das tatsächliche
Druckverhältnis nicht mit dem Nenndruckverhältnis übereinstimmt, Fig.4 ein Diagramm,
aus dem zu entnehmen ist, wie der Schieber in Abhängigkeit vom Druckverhältnis zwischen
der Außenluft und der Luft im Einlaß verstellt wird, und Fig.5 ein Diagramm, das
die Abhängigkeit des Wirkungsgrades von Expansionsmaschinen mit zwei verschiedenen,
konstanten Nenndruckverhältnissen vom tatsächlichen Druckverhältnis angibt.
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Das Gehäuse 10 der Expansionsmaschine ist mit einer Einlaßöffnung
12 und einer Auslaßöffnung 14 versehen. Der Einlaßöffnung wird als Arbeitsmedium
beispielsweise die vom Kompressor eines Flugzeugmotors gelieferte Luft zugeführt,
nachdem diese vor dem Einlaß einen Kühler durchströmt hat. Die von der Expansionsmaschine
noch weiter abgekühlte Luft gelangt dann von der Auslaßöffnung 14 über nicht dargestellte
Leitungen zu den zu kühlenden Teilen des Flugzeuges.
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Von der Einlaßöffnung 12 des Gehäuses 10 wird das Arbeitsmedium in
die Einlaßkammer 16 geleitet, von wo es über eine Durchtrittsöffnung 18 in die Expansionskammern
gelangt, die jeweils von einer Nut 22 in einem männlichen Rotor 24 und einer Nut
20 in einem weiblichen Rotor 26 gebildet werden. Der männliche Rotor ist mit vier
Kämmen 28 ausgerüstet, die mit ihrem größten Teil außerhalb des Teilkreises des
Rotors liegen, während der weibliche Rotor mit sechs Kämmen 30 versehen ist, die
sich mit ihrem größten Teil innerhalb des Teilkreises des Rotors erstrecken. Die
Kämme 28 bzw. 30 verlaufen schraubenförmig um die Rotoren 24 bzw. 26 und weisen
abgerundete Profile auf, die sich aneinander ohne Gleitberührung v orbeibewegen.
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Bei Drehung der Rotoren 24 und 26 wird das Volumen der durch die Nuten
gebildeten Expansionskammern vergrößert, wodurch eine kontinuierliche Expansion
bei gleichzeitiger Verminderung von Druck und Temperatur des Arbeitsmediums erreicht
wird. Auf den Achsen der Rotoren 24, 26 sind ineinandergreifende Synchronisierräder
32 gelagert, die die Rotoren unter Vermeidung einer unmittelbaren gegenseitigen
Berührung und der sich daraus ergebenden Gefahr des Festfressens miteinander auf
Drehung kuppeln. Außerdem ist die Achse des männlichen Rotors 24 mit einem Wellenstummel
36 versehen, der sich durch die Stirnwand des Gehäuses 10 erstreckt und ein
Gebläserad 38 trägt, welches die in der Expansionsmaschine freigewordene Energie
abführen soll.
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Die Größe der Durchtrittsöffnung 18 wird durch einen axial verstellbaren
Schieber 40 eingeregelt, der mittels buchsenartiger Wälzlager 42 mit Kugelumlauf
von einem im Gehäuse befestigten Dorn 44 getragen
| wird. Ein solches Wälzlager besteht aus einer i#: |
mit mehreren geschlossenen Kugelbahnen, die sich in axialer Richtung
erstrecken und mit Kugeln gefüllt sind. Jede Kugelbahn setzt sich aus einer Arbeitsstrecke,
auf der die Kugeln zwischen der Hülse und dem von ihr umschlossenen Teil laufen,
und aus einer Rücklaufstrecke zusammen, auf der die Kugeln vollständig von der Hülse
umschlossen werden. In Fig. 1 sind nur die Rücklaufstrecken der Kugelbahnen dargestellt,
während aus Fig.2 im Schnitt die gegenseitige Lage der einzelnen Kugelbahnen ersichtlich
ist.
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Der Schieber 40 ist mit axialen Ausnehmungen versehen, die durch Hüllflächen
46, 48 (Fig. 2) begrenzt sind, welche ihrerseits mit dem Umfang der Rotoren 24 bzw.
26 abdichtend im Kontakt berührt werden.
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Der Schieber 40 ist mittels einer Schubstange 50 unmittelbar mit einem
Stützring 52 verbunden, der in einem Zylinder 54 angeordnet ist. Der Zylinder ist
an seinem äußeren Ende verschlossen und am anderen Ende gegen die Einlaßkammer 16
offen. Der Stützring 52 ist nicht gegen den Zylinder 54 abgedichtet, so daß auf
beiden Seiten des Stützringes gleicher Druck herrscht. Zwischen dem Stützring 52
und dem verschlossenen Ende des Zylinders 54 sind Druckfedern 56, 58 angeordnet.
Die Druckfedern weisen eine unterschiedliche Länge auf, und die Druckfeder 56 stützt
sich mit ihren Enden stets gegen den Stützring 52 und das verschlossene Zylinderende
ab, während die andere Druckfeder 58 so kurz ist, daß sie nur dann mit dem Stützring
52 in Berührung kommt, wenn sich dieser aus der der größten Durchtrittsöffnung 18
entsprechenden Stellung, d. h. in Fig. 1 ganz links, in der zu einer Verkleinerung
der Durchtrittsöffnung führenden Richtung, d. h. beim Beispiel nach rechts, bewegt.
In der in Fig. 1 gezeigten Stellung sind beide Druckfedern mit dem Stützring 52
in Kontakt. Infolge der beschriebenen Anordnung wird der Stützring 52 und damit
der Schieber 40 während des ersten Teiles der vorstehend genannten Bewegung nur
von der Druckfeder 56 beeinflußt, während bei der Weiterbewegung beide Druckfedern
56 und 58 gleichzeitig auf den Schieber einwirken. Zusätzlich können selbstverständlich
noch weitere Federn vorgesehen werden, die im Verlauf der Bewegung nacheinander
auf den Schieber zur Wirkung kommen.
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Die Schubstange 50 geht in eine kolbenartig ausgebildete Verlängerung
60 über, die sich durch eine Axialbohrung 64 mit eingesetzter Dichtung 62 im geschlossenen
Endteil des Zylinders 54 nach außen erstreckt. Das freie Ende der kolbenartigen
Verlängerung 60 steht unter dem außerhalb des Zylinders 54 herrschenden Druck des
Bezugsmediums. Die Verlängerung 60 ist im Durchmesser größer als die Schubstange
50; infolge des Unterschiedes zwischen dem Druck in der Einlaßkammer 16 und dem
Druck des Bezugsmediums wird der Stützring 52 durch die Druckfedern 56, 58 bis zum
Druckausgleich bewegt. Der Zylinder 54 und die Verlängerung 60 der Schubstange 50
dienen als Führungen für die Ilruckfedern 56 bzw. 58. ,.
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Fig.3 zeigt in einem pv-Diagramm, auf welche Weise der Unterschied
zwischen dem einer Konstruktion zugrunde gelegten festen Nenndruckverhältnis und
den tatsächlichen Druckverhältnissen den Expansionsvorgang ungünstig beeinflußt.
Bei einem gegebenen Gegendruck p2 und einem Einlaßvolumen, das dem Nenndruckverhältnis
ni entspricht, expandiert das Arbeitsmedium von dem theoretischen Einlaßdruck pl'
gemäß der voll ausgezogenen Linie. Wenn der Einlaßdruck p1" niedriger als pi ist,
das Einlaßvolumen aber dem Nenndruckverhältnis izi entspricht, wird das Arbeitsmedium
gemäß der unteren, gestrichelten Linie expandieren. Ermöglicht man nun, daß die
Expansion statt dessen bei einem Einlaßvolumen beginnt, das einem Nenndruckverhältnis
ni " entspricht, so ergibt sich eine Expansion, die gemäß der idealen, voll ausgezogenen
Linie verläuft, wodurch ein höherer Wirkungsgrad und zusätzlich eine Durchströmung
mit einer größeren Gasmenge erreicht wird. Die Energie, die dann vom Gebläserad
verbraucht werden kann, nimmt zu, was wieder zu einer höheren Maschinendrehzahl
und zu einer verstärkten Gasströmung führt.
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Wenn der Einlaßdruck p;" größer als p,' ist und das Einlaßvolumen
dem Nenndruckverhältnis @i' entspricht, so expandiert das Arbeitsmedium gemäß der
oberen gestrichelten Linie. Ermöglicht man es, daß die Expansion statt dessen bei
einem Einlaßvolumen beginnt, das einem Nenndruckv erhältnis von zi. " entspricht,
so verläuft die Expansion gemäß der idealen Expansionslinie, wodurch auch in diesem
Falle ein höherer Wirkungsgrad erreicht und gleichzeitig eine geringere Gasmenge
durch die Maschine gefördert wird. Dies bedeutet, daß weniger Energie benötigt wird,
um den gewünschten Kühleffekt zu erreichen.
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Fig.4 zeigt ein Diagramm, in dem eine stetige Kurve zeigt, auf welche
Weise sich das Nenndruckverhältnis mit der durch den Schieberweg charakterisierten
Größe der Durchtrittsöffnung ändert. Der aus geraden Linien zusammengesetzte Linienzug
zeigt, wie sich die Lage des Schiebers bei Verwendung einer Steuervorrichtung mit
drei Federn tatsächlich ändert. Durch die Druckdifferenz pl - p", zwischen
dem Einlaßdruck p1 und dem Druck p". des Bezugsmediums wird der Schieber in eine
Stellung gebracht, die dem Nenndruckverhältnis Ti entspricht.
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Da in einem Flugzeug der Gegendruck p2 und der Druck p". des Bezugsmediums
niemals den dem Druck in Bodenhöhe entsprechenden Wert 1 wesentlich übersteigen
werden, muß der numerische Wert von pl/p2 stets größer als der numerische Wert von
p1 - p" sein. Andererseits kann der numerische Wert des Nenndruckverhältnisses
-ui niemals den numerischen Wert von p1 - p". übersteigen, wenn die Steuervorrichtung
in Übereinstimmung mit dem Diagramm nach Fig. 4 arbeitet. Daher kann bei einer derartigen
Steuervorrichtung das tatsächliche Druckverhältnis PI/P2 niemals kleiner als das
Nenndruckverhältnis jul sein.
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Fig.5 zeigt zwei für verschiedene Nenndruckverhältnisse ni l und ni
2 geltende Wirkungsgradkurven in Abhängigkeit vom tatsächlichen Druckverhältnis
für Expansionsmaschinen bekannter Art. Es geht aus diesen Kurven hervor, daß der
Wirkungsgrad bei vom Nennwert abnehmendem tatsächlichem Druckverhältnis bedeutend
schneller absinkt als bei ansteigendem tatsächlichem Druckverhältnis; aus diesem
Grunde ist es vorteilhaft, wenn das tatsächliche Druckverhältnis stets etwas oberhalb
des Nennwertes liegt. Dies entspricht der an Hand von Fig. 4 erläuterten Bemessungsregel
der erfindungsgemäßen Maschine. Das Diagramm nach Fig. 5 läßt auch erkennen, daß
selbst dann, wenn der numerische Wert von PI/p2 den numerischen Wert von p1
- p" erheblich übertrifft, wie dies bei großen Flughöhen der Fall ist, der
Wirkungsgrad noch annehmbar bleibt.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt,
sondern erstreckt sich auch auf Abwandlungen, die im Rahmen des Erfindungsgedankens
liegen.
Die in der Beschreibung gewählten Ausdrücke und Bezeichnungen dienen nur dem Zweck
der Erläuterung und nicht der Beschränkung.