DE1428103A1 - Anordnung zum Laden von Verdichtern - Google Patents

Description

DK. A. MENTZBL DIPL.-IHG. W. DAHLKE

PATENTANWALTS

506 REFHATH b. κοι,ν, DBir 16. AugUS t 196

FBAIfKXNFOBSI 187 DS

: BENSBBBG β 4800

(G 36 839 Ic/27c)

GARDNER-DENVER COMPANY Quincy, Illinois (V.St.A.)

•Anordnung zum Laden von Verdichtern¹¹

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Laden von Verdichtern mit einem Gehäuse mit im Abstand angeordneten Saug- und Drucköffnungen und zwei zusammen mit dem Gehäuse Arbeitsräume bildenden Rotoren, bei denen Gas durch die Saugöffnungen ansaugbar und in Erwiderung auf die Verschiebung des jeweiligen Arbeitsraums von der Saug- zur Druckseite progressiv verdichtbar ist,

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wobei ein. Brennkraftmotor den. Verdichter jeweils antreibt.

Auf dem Gebiet des Ladens von Verdichtern ist es bekannt, die volumetrische Kapazität des Kompressors dadurch zu vergrößern, daß die gesamte Einlaßluft vorverdichtet und über die Kompressoreinlaßöffn.ung zugeleitet wird. Bei Hubkorbenkompressoren, ist es bekannt, eine verdichtete Gasmenge unmittelbar nach dem Schließen, der Einlaßöffnung in. die Arbeitskammer einzuleiten. Dabei erfolgt das Einleiten des Gases, bevor sich in. der Arbeitskammer ein Innendruck aufgebaut hat. Zwar läßt sich mit Hilfe dieser bekannten. Verfahren zur Ladung von Kompressoren in. wirksamer Weise die volumetrische Kapazität des Kompressors erhöhen, dabei treten, jedoch gewisse Energierverluste auf. Diese sind auf die Expansion des vorverdichteten Ladegases in der Arbeitskammer des Kompressors zurückzuführen. Die zur Erhöhung des Druckes des Ladegases aufgewendete Energie geht somit im wesentlichen, verloren, da das Gas auf eine relativ viel niedrigeren Druck expandieren kann, nachdem es in die Arbeitskammer gelangt ist. Darüber hinaus muß vom Kompressor zusätzliche Arbeit geleistet werden, um das expandierte Ladegas wieder zum komprimieren, nachdem es in die Arbeitskammer gelangt ist.

Demzufolge bezweckt die Erfindung die Schaffung einer verbesserten Anordnung zum Laden eines Kompressors, die im Vergleich zu bekannten Anordnungen einen höheren

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hat. Außerdem soll durch die Erfindung eine verbesserte Anordnung zum Laden von Kompressoren geschaffen werden, die die Energieverluste infolge einer Expansion der vorverdichteten Luft, d.h. der Ladelust in den Arbeitskammer» des Verdichters wesentlich vermindert. Weiter soll erfindungsgemäß ein Verdichter geschaffen werden, der in der Lage ist, eine zusätzliche Luftladung in seinen Arbeitskammera aufzunehmen, nachdem diese von der Einlaßöffnung des Kompressors getrennt sind, wobei die Aufnahme der zusätzlichen Luftladung jedoch nicht eher erfolgen soll, "bis der sich in den Arbeitskammern aufbauende Druck den Kompressoreinlaßdruck um ein vorbestimmtes Maß überschreitet.

Weiterhin soll eine Anordnung zum Laden eines Schraubenverdichters geschaffen werden, bei dem eine vorverdichtete Luftladung nur dann in die abgeschlossenen Arbeitskammern geleitet wird, nachdem der in den Kammern aufgebaute Druck sich dem Druck der Ladeluft angenähert hat, so daß die Energierverluste als Folge einer Expansion der Ladeluft auf ein Minimum herabgedrückt werden. Weiter soll erfindungsgemäß eine Anordnung zum Laden von Verdichtern der genannten Art geschaffen werden, bei der die Ladeluft durch einen Turbolader bereitgestellt wird, der durch die Abgase des Antriebsaggregates des Kompressors angetrieben ist. Schließlich soll erfindungsgemäß ein aufgeladener Kompressor geschaffen werden, der sich' äitrc'h einen höheren Wirkungsgrad sowie durch eine'- ;

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einfache und wirtschaftliche Bauart auszeichnet.

Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß von einem vom Abgas des Brennkraftmotors angetriebenen Turbolader Ladegas über mindestens eine an sich bekannte ladegasoffnung in den jeweiligen Arbeitsraum während dessen, lage zwischen der Saug- und Druckseite einleitbar ist, wobei die LadegasÖf fining dem jeweiligen" Arbeitsraum in einer solchen Lage zugeordnet ist, daß der progressiv steigende Kompressionsdruck im jeweiligen. Arbeitsraum den Druck des Ladegases nicht erreicht hat und aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Ladegas und dem Gas in dem jeweiligen Arbeitsraum das Ladegas unter nur geringer Expansion einströmen kann.

Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die genannten angestrebten Verhältnisse erreicht.

Die Erfindung ist im nachfolgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen sind:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Bauteile einer verbesserten Anordnung zum Überladen von Kompressoren mit den Merkmalen vorliegender Erfindung,

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Fig. 2 eine Draufeicht, teilweise im Schnitt, auf die Kompressoreinheit nach Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Teilschnitt entlang 3-3 der Fig 2 durch eine Einlaßöffnung,

Fig. 4 einen Querschnitt entlang 4-4 der Fig. 2,

Fig. 5 -¹ eine schematische Abwicklung des Kompressorgehäuses und der Rotore zur Andeutung der in den durch die drehbaren Rotore und das ortsfeste Gehäuse gebildeten Kompressionskammern entwickelten Drücke,

Fig. 6 ein Diagramm des Kammerdrucks als Funktion der Rotordrehung zur Veranschaulichung der erzielten Energieersparnis.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform vorliegender Erfindung dargestellt. Mit 10 ist allgemein ein nach dem Schraubenprinzip arbeitender Kompressor beziffert, welcher zum Zwecke des Antriebs mit der Abtriebswelle eines Verbrennungsmotors 12 gekuppelt ist. Der beispielsweise dargestellte Kompressor 10 umfaßt im wesentlichen ein mehrteiliges, ortsfestes Gehäuse 14 und zwei, einander komplementär ausgebildete

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und miteinander kämmende Rotore 16 und 18, die drehbar in. dem Gehäuse 14 gelagert sind. !Das Gehäuse 14-reist zwei einander schneidende, parallele Bohrungen. 20 und 22 auf, die mit einer Kompressoreinlaßöffnung 24, welche in radialer Richtung öffnend, an. einem Gehäuseende angeordnet ist und mit einer Auslaßöffnung, die axial öffnend, am anderen. Ende des Gehäuses angeordnet ist, in. offener Verbindung stehen.

Wie am besten, aus den. Mg. 2 und 4 ersichtlich, bestehen die Arbeitselemente der Kompressoren, d.h. die Rotore, aus einander komplementär ausgebildeten, spiralförmigen. Schraubenelementen, die in. den. parallelen. Bohrungen 20 und 22 gelagert sind. Der Rotor 16 weist vier, im allgemeinen, konvax ausgebildete Flügel 16a bis d auf und sei Hauptrotor genannt. Der Rotor 18 weist sechs, etwa konkav ausgebildete Nuten 18a bis f auf und sei Kammerrotor genannt. Die nichtdargestellten, als Wellen kleineren. Durchmessers ausgebildeten. Enden der Rotore 16 und 18 sind in reibungsarmen Lagern geführt, welche im Gehäuse 14 angeordnet sind.. Weiterhin ist ein. nicht dargestellter Wellenfortsatz des Hauptrotors 16 mechanisch mit der Abtriebswelle des Motors 12 verbunden. Vorteilhafter- jedoch nicht notwendigerweise - ist die Drehbewegung der zusammenwirkenden Rotore synchronisiert, damit zwischen, den Rotoren Spiel vorhanden ist.

Bei dem beispielsweise dargestellten. Luftkompressor werden

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durch, das Zusammenwirken der flügel 16a bis d des Hauptrotors mit den Nuten 18ä bis f des Kammerrotors mehrere Arbeite- bzw. Komprössiönskämmern gebildet, wenn die Rotore im ehtgVgVngesetzten Drehsinn umlaufen, wobei sie sich in engem Kontakt mit den Wandungen der Bohrungen 20 und 22 des Gehäuseö befinden. Als Folge der Drehung der Rotore* öffnen sich die Arbeitskammern, nacheinander auf ihr volles Volumen und füllen sich mit Luft, wobei .sie mit der Einlaßöffnung 2"4 verbunden sind. Nachdem sich die einzelnen Kammern soweit verdreht haben, daß sie nicht mehr in Verbindung mit der Einlaßöffnung 24 sind, wird durch den Eintritt der spiralförmigen Flügel 16a bis d des Hauptrotors in die Nuten 18a bis f des Kammerrotörs das in den Kammern gefangene Luftvolumen beständig verkleinert, da sie Länge einer jeden Kammer von ihrem Einlaßende zu ihrem Auslaßende hin verkürzt wird. Mit abnehmendem Volumen erhöht sich der Druck in der Kammer beständig vom Einlaßdruck auf den Auslaßdruck. Die Kompressionsräume werden als in axialer Richtung zur Auslaßöffnung 26 hin verdrängt, und infolge der Drehung der in Eingriff befindlichen Rotore nacheinander mit der Auslaßöffnung in Deckungslage gebrächt. Die Arbeitsweise des Kompressors 10 läßt sich noch'Besser an der Fig. 5 erkennen. Fig. 5 stellt eine schematiöehe Abwicklung des Gehäuses 14 und des Haupt- und Kammerrotors einer beispielsweisen Ausführungsform eines Kompressors dar, der Luft von dem Einlaßdruck 0 auf den Auslaßdruck S verdichtet. Wenn sich der Hauptrotor und Kammer-

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rotor in. der in Fig. 5 dargestellten Lage befinden, ist die Arbeitskammer 30a in radialer und axialer Kommunikation mit der Einlaßöffnung 24 und nimmt eine volle Luftladung mit Einlaßdruck auf. Die Kammern 30b, 30c und 30d haben, sich über den Rand der Einlaßöffnung hinaus verdreht und die Yolumina der entsprechenden. Kammern sind infolge des zunehmend größeren Eingriffs der Flügel 16b bis d in. die Nuten 18b bis d reduziert worden. Es ist ersichtlich, daß die Kammer 3Od sich in einer Lage befindet, in. der sie im Begriff ist, mit der Auslaßöffnung 26 in Verbindung zu gelangen, und daß sie bei einer weiteren Rotordrehung mit dem endgültigen Auslaßdruck S entleert wird. Es ist ferner ersichtlich, daß der in. den Kammern aufgebaute Druck zunimmt, wenn, die Kammern, in axialer Richtung von der Einlaßöffnung 24 zur Auslaßöffnung 26 verschoben werden.

Nach der vorliegenden Erfindung wird in die Arbeitskammern. 30a bis 3Od eine unter Druck stehende Gasmenge eingeleitet, um das schließlich an der Auslaßöffnung 26 abgegebene Gasvolumen zu vergrößern. Das der Überladung dienende Gas kann. von. irgendeiner geeigneten Quelle zugeleitet werden. Die hier beschriebene Quelle ist ein allgemein, bekannter Turbolader, der zweckmäßigerweise eine Antriebsturbine 32 und ein angetriebenes Gasgebläse 34 umfaßt. Die Turbine 32 kann zweckmäßigerweise durch die heißen Abgase angetrieben werden, die aus dem Auspuff 36 des Motors kommen. Der Auslaßdruck des Ge-

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biases 34 soll größer sein., als der Einlaßdruck des Kompressors 10.

Wie am besten aus den. Mg. 2 bis 4 ersichtlich, sind auf gegenüberliegenden Seiten des mittleren Teils des Kompressorgehäuses 14 zwei Überladeöffnungen 38 und 40 vorgesehen. Die öffnungen 38 und 49 werden vorteilhafter - jedoch nicht notwendigerweise von länglichen. Schlitzen gebildet, welche die Gehäusebohrungen 20 und 22 mit den lägnlichen Zuleitungen. 42 und 44, die einstückig mit dem Gehäuse gegossen, sein können, verbinden.

Die öffnungen 38 und 40 verlaufen geneigt entlang der gekrümmten Wandung des Gehäuses 14 und sind so geformt, daß ihre Längskanten sich im wesentlichen, mit den. spiralförmigen Schulterkanten der Rotore 16 und 18 decken. Diese Anordnung und Ausbildung der öffnungen ermöglicht ein. vollständiges öffnen derselben, wenn die nacheilenden Kanten der Schulterflächen sich nacheinander über die vordere Kante der öffnungen bewegen. Es ist beabsichtigt, daß die Öffnungen 38 und nacheinander mit den jeweiligen Arbeitskammern, in Verbindung gelangen. Deshalb muß die Breite der Öffnungen 38 und 40 im wesentlichen der Breite der Schulterflächen des zugehörigen Eotors entsprechen, damit ein Gasaustausch zwischen, benachbarten Arbeitskammern verhindert wird. Außerdem soll die Fläche der öffnungen ausreichend groß sein, damit eine nennens-

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werte Drosselung des durchströmenden. Überladegases-verhindert wird. Die Zuleitungen 42 und 44 können mit Gewinde aufweisenden Öffnungen versehen, sein, die zur Aufnahme gleichfalls mit Gewinde versehener Bohrungen 46 und 48 dienen, welche die Zuleitungen des Überladegases von der Qulle zum Gebläse 34 übernehmen.

Ein wesentliches Merkmal vorliegender Erfindung besteht darin, daß die Überladeöffnungen. 38 und 40 relativ zum Gehäuse 14 longitudinal angeordnet sind, so daß sie mit aufeinanderfolgenden Arbeitskammern 30a bis 30d in Verbindung gelangen, nachdem die Kammern, über die Einlaßöffnung 24 die normale Gasladung erhalten haben und nachdem sie durch die Rotordrehung von der Einlaßöffnung abgeschnitten worden, sind. Außerdem wird angestrebt, daß die zusätzliche, über die Überladeöffnungen 38 und 40 zugeführte Gasladung erst dann in die Arbeitskammern eingeleitet wird, wenn der sieh in. den. Kammern aufbauende Druck, wie nachfolgend näher beschrieben, eine bestimmte Höhe erreicht-hat. Die Elemente zur Erreichung einer derartigen, verzögerten Ladung seien anhand der Pig. 5 erläutert, in. welcher die bevorzugte räumliche Anordnung der Überladeöffnungen 38 und 40 relativ zur Einlaßöffnung 24 und den sich axial bewegenden Arbeitskammern 30a bis 3Od dargestellt ist. Wie ersichtlich, stehen, die Überladeöffnungen. 38 und 40 mit der Arbeitskammer 30b in Verbindung, welche von der Peripherie der Einlaßöffnung abgeschlossen ist, weil der

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Flügel 16b des Hauptrotors und die Nut 18b des Kammerrοtors sich in Eingriff befinden. Der Rotorflügel 16b ist in ausreichendem Maße in die Nut 18b eingetreten, so daß sich ein Druck R in der Arbeitskammer 30b aufgebaut hat. Die Entfernung der Oberladeöffnungen von dem Auslaßende des Kompressorgehäuses 14"bestimmt die Größe des aufgebauten Drucks in der mit den Überladeöffnungen in Verbindung stehenden Arbeitskammer. Durch Verschiebung der Überladeöffnungen, in axialer Richtung zur Auslaßöffnung des Kompressors hin, werden dieselben erst dann mit einer Arbeitskammer verbunden, wenn sich in dieser ein höherer Druck aufgebaut hat.

Die Überladeöffnungen müssen räumlich so angeordnet sein, daß sie dann mit einer Arbeitskammer in Verbindung gelangen, wenn sich in dieser ein Druck aufgebaut hat, der sich dem Druck des durch das Gebläse 34 zugeführten Ladegases so stark angenähert hat, als dies zweckmäßig erscheint. Bei der Festlegung der räumlichen Anordnung der Ladeöffnungen für einen bestimmten Kompressor, muß der durch die Überladeluaftquelle gegebene Ladedruck jedoch notwendigerweise etwas größer sein, als derjenige Kammerdruck, der sich entsprechend der gewählten Lage der Überladeöffnungen aufbaut, so daß die Ladeluft während der Ladeperiode in die Kammer einströmt. Die minimale Druckdifferenz, die zwischen dem Ladedruck und dem in der Kammer entwickelten Druck bestehen muß, wenn die Überladeluft zugeführt wird, hängt von dem endgültigen Druck, der wäh-

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rend der Ladeperiode in der Kammer erreicht wird und von unvermeidlichen Gasdruckverlusten in den Überladeöffnungen un_d den Leitungen, welche die Überladeöffnungen mit der Ladegasquelle verbinden, ab.

Der Hauptvorteil der beschriebenen, und verbesserten ÜberladeanOrdnung ist in Fig. 6 veranschaulicht. Dort ist die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anordnung der Arbeitsweise einer anderen Anordnung gegenübergestellt, bei der die Arbeitskammer unmittelbar nach Abschluß der Einlaßöffnung überladen, wird. In dem Schaubild ist der Arbeitskammerdruck als Funktion der Rotordrehung nach Abschluß der Einlaßöffnung aufgetragen. Der ausgezogene Kurvenzug OR stellt denjnormalen Anstieg des Drucks in einer Arbeitskammer dar, wenn die beiden miteinander kämmenden Rotore sich se verdreht haben, daß die Kammern vom Einlaß abgeschlossen, sind und deren Volumen reduziert wird. Nach der vorliegenden Erfindung wird bei einem Kammerdruck R eine Gasladung in. die Kammer eingeführt, wodurch der Kammerdruck rasch, entsprechend der Kurve RQ steigt. Da der Druckanstieg während des Ladens wegen der Trägheit des Ladegases nioht momentan stattfindet, verläuft das Kurvenstück RQ nicht senkrecht, sondern etwas geneigt. Nachdem der Kammerdruck infolge der Überladung bis zum Punkt Q angestiegen 1st, steigt der Kammerdruck durch die weitere Rotordrehung in der üblichen. Art und Weise, entsprechend dem Kurvenzug QS weiter bis zum Auslaßdruck S an. Wäre eine ent-

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sprechende Gasmenge unmittelbar nach, dem Abschluß vom Einlaß, bei Punlrt O in die Kammer eingeführt worden, so hätte der Kammerdruck einen raschen Anstieg gemäß dem gestrichelt dargestellten Kurvenstück OP erfahren und hätte sich darauf in normaler Weise entsprechend dem Kurvenzug PQS auf den Auslaßdruck S erhöht.

Nimmt man an, daß das Ladegas an der Qulle mit dem Druck T zur Verfügung steht und daß es den Kammerdruck, je nach dem an welchem Punkt die Überladung beginnt, won O auf P oder von R auf Q erhöht, so zeigt das Schaubild, daß eine Verzögerung der Einführung des Überladegases, wie bei der vorliegenden Erfindung, einen geringeren Druckabfall desselben bei der Einleitung in die Arbeitskammer zur Folge hat, wodurch ein Teil der Energier, die dem Ladegas durch das Gebläse 34 zugeführt worden, ist, erhalten bleibt. Wenn, das Ladegas somit am Punkte 0 bzw. bei Abschluß der Einlaßöffnung zugeführt wird, expandiert es und sein Druck fällt von T auf 0 ab. Wird dieselbe Ladung jedoch zugeführt, wenn der Kammerdruck den Betrag R nach einer Verdichtung entlang OR erreicht hat, expandiert es und sein Druck fällt nur von T auf R ab. Außerdem wird die dem Ladegas vom Gebläse zugeführte Energie nahezu vollständig verschwendet, wenn es beim Abschluß der Einlaßöffnung zugefühfrt. wird, während bei der erfindungsgemäßen Anordnung in wirksamer Weise ein. erheblicher Teil der vom Gebläse geleisteten Arbeit erhalten bleibt.

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Zur anderweitigen Veranschaulichung der Energieeräparnis gemäß vorliegender Erfindung, sei darauf hingewiesen, daß die vom Kompressor zur Erhöhung des Gasdrucks vom Einlaßdruck auf den Auslaßdruck S geleistete Arbeit durch die Fläche unter den Kompressionskurven. ORQS "bzw. OPQS dargestellt wird. Die durch Verzögerung der Einführung des Ladegases gemäß vorliegender Erfindung gesparte Energie wird durch die Fläche OPQR dargestellt. Da die verbesserte Anordnung zum Überladen von. Kompressoren, die Energie des Ladegases in. wirksamer Weise ausnutzt, kann die Antriebsleistung des Kompressors 10, die er durch den. Motor 12 erhält, reduziert werden, so daß sich eine Verringerung der Betriebskosten, eines Antriebsmotor-Kompressoraggregates ergibt.

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Claims (1)

1. Pat entan s pruc h

   Anordnung zum Laden von Verdichtern mit einem Gehäuse mit im Abstand angeordneten Saug- und Drucköffnungen, und zwei zusammen mit dem Gehäuse Arbeitsräume bildenden Rotoren, bei denen Gas durch die Saugöffnungen ansaugbar und in Erwiderung auf die Verschiebung des jeweiligen. Arbeitsraums von der Saug- zur Druckseite progressiv verdichtbar ist, wobei ein Brennkraftmotor den Verdichter jeweils antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß von einem vom Abgas des Brennkraftmotors (12) angetriebenen Turbolader (34) Ladegas über mindestens eine an sich bekannte Ladegasöffnung (38, 40) in den. jeweiligen Arbeitsraum während dessen Lage zwischen der Saug- und Druckseite einleitbar ist, wobei die Ladegasöffnung (38, 40) dem jeweiligen Arbeitsraum in einer solchen Lage zugeordnet ist, daß der progressiv steigende Kompressionsdruck im jeweiligen Arbeitsraum den Druck des Ladegases nicht erreicht hat und aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Ladegas und dem Gas in dem jeweiligen Arbeitsraum das Ladegas unter nur geringer Expansion einströmen kann.

   8098 1 G/0407 ;ua Urne:...^- > ·