DE219271C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 276. GRUPPE

EUGEN SCHMIDT in ST. PETERSBURG.

durch kreisende Drehschieber.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 29. Juni 1909 ab.

In der Patentschrift 218339 ist ein Luftkom-· pressor beschrieben, dessen Ein- und Auslaß an jedem Zylinder durch nur zwei Drehschieber bewirkt wird, die mit einer mehrfach kleineren Winkelgeschwindigkeit als die Hauptwelle des Kompressors umlaufen. Der Hauptzweck dieser . Ausführung, Maschinen der besagten Art mit großer Kolbengeschwindigkeit zu betreiben, wird vollkommen erreicht, so daß Luftkompressoren erhalten werden, welche mit schnellaufenden Kraftmaschinen unmittelbar gekuppelt werden können, was bekanntlich bei Steuerung durch Ventile oder durch schwingende Drehschieber, nicht erreicht werden kann.

Dies erklärt sich dadurch, daß bei Kompressoren mit hin und her gehendem Kolben der Austritt dann geöffnet wird, wenn der Kolben ungefähr die Hälfte seines Hubes zurückgelegt hat, d. h. also gerade annähernd seine Höchstgeschwindigkeit besitzt. Die Kolbengeschwindigkeit und somit auch die in der ■ Zeiteinheit geförderte Luftmenge nimmt vom Beginn der Austrittsperiode bis zu deren Abschluß stetig ab und wird gegen Kolbenhubende Null. Es müßte also, wenn ein Luftaustritt mit mäßiger mittlerer Geschwindigkeit erreicht werden soll, die Austrittsöffnung gerade am Anfang möglichst weit geöffnet sein, d. h. das Auslaßsteuerorgan wäre äußerst schnell zu öffnen. Dies kann nun bei solchen Organen, die Hin- und Herbewegungen ausführen, wegen der Trägheit praktisch nicht ohne großen Arbeitsaufwand erreicht werden, welcher das Güteverhältnis der Maschine entsprechend stark herabsetzt. Macht man aber die Ventile sehr leicht, so sind Brüche der letzteren und hierdurch bedingte ernste Beschädigungen der Maschine unvermeidlich, während eine bedeutende Herabsetzung des unnützen Arbeitsaufwandes, welcher in der Hauptsache durch die hohen Geschwindigkeiten der Ventile bedingt ist, doch nicht erreicht werden kann. Die Praxis lehrt nun, daß bei der besten Ventilsteuerung (mittels zwangläufig gesteuerter Einlaßventile und kraftschlüssiger Auslaßventile) die größte Umlaufzahl für Kompressoren mittlerer und größerer Leistungsfähigkeit die Zahl 150 nicht überschreiten darf, wenn das Güteverhältnis ein leidliches bleiben und Brüche nicht allzuoft vorkommen sollen.

Wird die Steuerung dagegen durch gleichmäßig umlaufende Drehschieber bewirkt, so kommen die Trägheitswiderstände ganz in Wegfall; ferner kann bei rationeller Ausführung der Steuerung und richtiger Wahl der Abmessungen der rotierenden Drehschieber die Austrittsgeschwindigkeit der Preßluft leicht in praktisch zulässigen Grenzen gehalten werden. Es kann ohne Schwierigkeit sogar erreicht werden, daß die mittlere Austrittsgeschwindigkeit die mittlere Eintrittsgeschwindigkeit der Luft nicht überschreitet. Die Geschwindigkeit der austretenden Preßluft möglichst niedrig zu halten ist auch noch deshalb besonders wichtig, weil die Reibungswiderstände bei Preßluft bedeutend größer ausfallen als bei Luft unter gewöhnlichem oder vermindertem Druck. Kompressoren, die an jedem Kompressions-

zylinder nur zwei mit verminderter Winkelgeschwindigkeit umlaufende Drehschieber besitzen, arbeiten bei 250 bis 300 Umdrehungen pro Minute mit sehr gutem Wirkumgsgrad.. Jedoch kann nach der vorliegenden Erfindung der Wirkungsgrad noch sehr wesentlich dadurch verbessert werden, daß an Stelle der umlaufenden Drehschieber mit einfachem Durchlaßkanal Drehschieber mit zwei nebeneinander angeordneten Durchlaßkanälen oder mit drei radial und unter 120 ° gegeneinander angeordneten Kanälen zur Verwendung kommen. Zwecks besserer Klarlegung des Wesens der Erfindung sind auf den beiliegenden Zeichnungen die Diagramme für die Steuerung mittels einfacher Drehschieber nach der Patentschrift 218339 (Fig. 1), mittels Drehschieber mit zwei durchgehenden Kanälen (Fig. 4) und mittels solcher, welche drei radiale, in der Mitte vereinigte Kanäle besitzen (Fig. .7), gezeichnet. Die Diagramme nach den Fig. 1 und 4 beziehen sich auf denselben Kompressorzylinder bei gleichen Abmessungen der Drehschieber; die zu Fig; 1 gehörigen Drehschieber sind in den Fig. 2 und 3, die zu Fig. 4 gehörigen in den Fig. 5 und 6 im Querschnitt innerhalb ihrer Gehäuse dargestellt. Fig. 8 zeigt den zum Diagramm Fig. 7 gehörigen Drehschieber, und endlich ist in Fig. 9 ein Kompressorzylinder mit Steuerung durch zwei Dreiweghähne im Längsschnitt dargestellt.

Mit Bezug auf die Diagramme sei.bemerkt, daß diese unter graphischer Berücksichtigung des Einflusses der endlichen Länge der Schubstange auf die Bewegung des Kolbens gezeichnet sind, und zwar in der Weise, daß in der bekannten Gleichung:

R² R^s

X = R (τ — cos tu) -f- —— sin² w +

2I

in welcher bedeuten: χ den Kolbenweg, R den Radius der Kurbel, L die Länge der Pleuelstange, tu den Winkel zwischen der jeweiligen Richtung der Kurbel und .der die Totpunkte verbindenden Geraden, nur daß das dritte immer sehr kleine Glied unberücksichtigt geblieben ist.

Bei allen drei Diagrammen sind die Abszissen proportional dem Weg des Kurbelzapfens (o° bis 360°), die Ordinaten dem Weg des Kolbens (o.bis 1). Der Einfluß der schräg wirkenden Schubstange (von endlicher Länge) auf den Kolben weg ist dadurch berücksichtigt, daß die Vektoren aus einem Punkt χ gezogen sind, welcher sich auf der Ordinaten-

R²

achse in einem Abstand = —— von der Mitte

zL

des Kolbenhubes in der Richtung nach dem hinteren (von der Kurbel entfernteren) Kolbenhubende befindet. Auf diese Weise wird die Sinoidenkurve O-A-B erhalten, welche die Abhängigkeit zwischen Kurbel- und Kolben-Stellungen in sehr genauer Weise graphisch darstellt.

Ferner bedeuten: C, D, E und F die Abszissen, bei welchen das Luftansaugen in die vordere oder hintere Zylinderkammer beginnt bzw. abschließt; G und H die Punkte, bei welchen der Luftaustritt im hinteren bzw. vorderen Zylinderende beginnt. Diese Perioden endigen gleichzeitig mit den Ansaugperioden in den entgegengesetzten Zylinderenden, d. h. bei den durch D und F gezogenen Ordinaten. Die Lage der Ordinaten C, D, E und -F wird durch, die Länge der bekannten Überströmungsnuten im Zylindermantel bestimmt, während diejenige der Ordinaten G und.H von dem jeweilig gewünschten ■ Kompressionsdruck abhängig ist. Die Ordinaten-8.

sin² w cos tu,

abschnitte zwischen den wagerechten Linien K, K' und L, L' (Fig. 1) geben nach Lage und Größe die Öffnungen in dem Gehäuse b des Ansaugedrehschiebers α (Fig. 3) für das vordere bzw. das hintere Zylinderende; die wagerechten Linien M, M' und N, N' bestimmen dasselbe für den Auslaßdrehschieber (Fig. 2). Um das go Diagramm zu vollenden, müssen noch die Bahnen der Arbeitskanten der Kanäle in den Drehschiebern aufgetragen werden. Diese Bahnen sind gerade Linien, welche, wenn die Drehschieber mit der halben Winkelgeschwindigkeit der Kompressorwelle umlaufen, mit der Abszissenachse einen Winkel bilden, der

aus der Gleichung tg a = —— ermittelt werden

2 ο

kann, in welcher d den Durchmesser des entsprechenden Drehschiebers und S den Kolbenhub (Kurbelkreisdurchmesser) bedeuten. Auf diese Weise sind die Geraden P, P' und Q, Q' erhalten worden, welche die Bahn der Kanalmündung des Einlaß- bzw. des Auslaßdreh-Schiebers angeben. Die doppelt schraffierten größeren rhombischen Flächen lassen den Charakter der Einlaßsteuerung und die einfach schraffierten kleineren Flächen denjenigen des Auslasses für beide Zylinderkammern erkennen. Aus dem Diagramm ist ohne weiteres ersichtlich, daß der Einlaßschieber ausgezeichnet arbeitet, denn die Öffnungsweite des Ansaugekanals ändert sich mit der Kolbengeschwindigkeit und in gleichem Sinne. Was aber den Auslaßschieber anbelangt, so existiert für denselben diese gewünschte Abhängigkeit zwischen Öffnungsweite und Kolbengeschwindigkeit nur während des Schließens, wogegen dieselbe für das Öffnen aus dem Grunde absolut unmöglich ist, weil das Öffnen des Auslaßkanals erst dann beginnt, wenn der Kolben

bereits seine größte Geschwindigkeit besitzt. Um nun eine gute Auslaßsteuerung zu erhalten, muß der Durchmesser des Auslaßdrehschiebers groß gewählt werden, und zwar muß derselbe ungefähr das Doppeltmaß des Einlaßschieberdurchmessers besitzen, wenn die mittlere Austrittsgeschwindigkeit die mittlere Ausaugegeschwindigkeit nicht wesentlich überschreiten soll, da die Austrittsperiode ungefähr nur halb

ίο so lange währt als die Änsaugeperiode.

Es kann die Austrittssteuerung gemäß vorliegender Erfindung aber sehr wesentlich dadurch verbessert werden, daß man hierfür einen Drehschieber mit zwei nebeneinander angeordneten Durchlaßkanälen c und d (Fig. 5) verwendet. Bewegt sich beispielsweise der Drehschieber α in der Richtung des eingezeichneten Pfeiles in seinem Gehäuse, so beginnt der Austritt aus dem entsprechenden Zylinderende in dem Moment, in welchem der Schieber die strichpunktierte Lage (Fig. 5) überschreitet, wobei gleichzeitig beide Durchlaßkanäle c und d, und zwar der erste rechts und der zweite links geöffnet werden. Bei der in vollen Linien gezeichneten Lage sind diese . Kanäle vollständig geöffnet; darauf beginnt gleichzeitig das Verengen der Kanäle c und d (c links, d rechts unten) bis zum gleichzeitigen vollständigen Abschluß derselben.

Aus dem Diagramm Fig. 4, welches, wie bereits erwähnt, in der gleichen Weise wie das Diagramm Fig. 1 und für einen gleich großen und unter gleichen Voraussetzungen arbeitenden Zylinder gezeichnet ist, kann die Verbesserung der Aüstrittssteuerung gegenüber der Fig. 1 leicht ersehen und beurteilt werden. Es ist ohne weiteres klar, daß durch die Anordnung von zwei durchgehenden Kanälen die Austrittssteuerung derart verbessert wird, daß Aus- und Eintritt der Luft mit ungefähr der gleichen mittleren Durchflußgeschwindigkeit erfolgen.

Die Drehrichtung dieses Luftkompressors läßt sich wie diejenige des Luftkompressors nach den Fig. 1 bis 3 umkehren.

Wenn jeder Drehschieber ein Zylinderende bedient, d. h. sowohl den Einlaß als auch den Auslaß steuert, so kann weder durch Drehschieber mit einem einzigen durchgehenden Kanal noch durch solche mit zwei nebeneinander angeordneten Kanälen (Fig. 5) eine gleiche mittlere Geschwindigkeit- für den Ein- und für den Austritt erreicht werden, und zwar deshalb, weil der Durchmesser des Dreh-Schiebers unveränderbar ist und der Austritt in einer kürzeren Zeitspanne vollzogen werden muß als der Eintritt. Hierbei wird der Austritt immer mit ungefähr der doppelten Geschwindigkeit vor sich gehen, was, wie bereits betont, bedeutende Drossel- und Reibungswiderstände zeitigt. Dieser Übelstand wird nun gemäß einer weiteren Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dadurch beseitigt, daß die Steuerung durch kreisende Dreiweghähne (Fig. 8) bewirkt wird, wobei, wie aus dem nachfolgenden ' hervorgeht, das Luftansaugen wie bei der-beschriebenen Ausführungsform durch nur einen Kanal, das Luftausstoßen aber gleichzeitig durch zwei Kanäle geschieht. Der Drehschieber mit drei Kanälen e, f, g (Fig. 8) muß hierbei naturgemäß mit einer dreifach kleineren Winkelgeschwindigkeit kreisen als die Kompressorantriebswelle. Das Drehschiebergehäuse besitzt fünf Durchbrechungen, von denen drei — nämlich eine größere h bzw. h' (Fig. 9) und zwei kleinere i und k bzw. i' und k' — mit dem Zylinderkanal I bzw. V in Verbindung stehen, während durch die vierte m bzw. m' Luft angesaugt und durch die fünfte η bzw. n' Preßluft in die Verbindungsleitung zwischen den beiden Kompressionszylindern und in den Druckluftbehälter ausgestoßen wird. Dreht sich der Drehschieber in der Richtung des Uhrzeigers (Fig. 8), so wird durch den Kanalzweig f die Durchbrechung η geöffnet, noch ehe die Kanalzweige g und e die Durchbrechungen k bzw. i erreicht haben. ' Gleich darauf, und zwar gleichzeitig, werden auch diese Durchbrechungen geöffnet und somit die Verbindung, des Zylinders mit dem Druckrohr hergestellt. Nach dem später gleichzeitig eintretenden Abschluß der kleinen Durchbrechungen k und i erfolgt dann auch der Abschluß der entsprechend bemessenen Ausstoßdurchbrechung n. Nachdem der Kolben den Totpunkt überschritten hat und den Rückgang beginnt, wird der Kanal e, f, g zuerst durch die Durchbrechung h an den Zylinder angeschlossen, so daß die in dem Kanal eingeschlossene Druckluft in den Zylinder übergehen kann, wo sie und die in dem schädlichen Raum eingeschlossene Preßluft expandiert. Nachdem der Druck etwas unter atmosphärischen Druck gesunken ist, wird auch die Durchbrechung m für die Luftansaugung freigelegt. Bei dieser Drehschieberausbildung wird also Luft durch eine Durchbrechung h in den Zylinder eingeführt und durch zwei (k und i) aus demselben ausgestoßen, so daß auch hier die mittlere Austrittsgeschwindigkeit in günstigen, der mittleren Eintrittsgeschwindigkeit nahen Grenzen gehalten werden kann. Das Diagramm nach Fig. 7 gibt ein klares Bild über die Steuerungsvorgänge. Dies Diagramm, welches in genau derselben Weise wie die Diagramme Fig. ι und 4 entstanden ist, ist nur in kleinerem Maßstab gezeichnet und durch die Kolbengeschwindigkeitskurve V ergänzt. Dies Diagramm läßt erkennen, daß die Ansaugeöffnung in der Weite mit der Kolbengeschwindigkeit wächst, daß bei größter Kolbengeschwindig-

Claims (2)

1. keit volle . Öffnungsweite existiert, und daß sich diese wieder mit ersterer vermindert. Was den Austritt anbelangt, so zeigen die entsprechenden (doppelschraffierten) Flächen, daß der Auslaß durch zwei Kanäle bei Steuerung durch Drehschieber mit drei Kanälen der bezeichneten Art eine wesentliche Verbesserung bedeutet, denn erstens vollzieht sich das Eröffnen außerordentlich rasch, und

   ίο zweitens besteht die volle Öffnungsweite während eines sehr großen Teiles der Austrittsperiode, da sich das Schließen ebenfalls rasch vollzieht. Übrigens ist während der Verminderung des Durchtrittsquerschnittes der Austrittskanäle die Kolbengeschwindigkeit schon sehr klein. Der Druckluftauslaß wird also in so vollkommener Weise gesteuert, daß sogar eine sehr große Tourenzahl der Antriebswelle des Kompressors keinen merklich schädlichen Einfluß auf den Wirkungsgrad des letzteren ausüben kann. .

   Bei dem in Fig. 9 dargestellten Niedergang des Kolbens wird durch den oberen Drehschieber Luft angesaugt, während der Durchlaßkanal e, f, g des unteren Drehschiebers bereits mit dem Druckrohr in Verbindung steht und im Begriff ist, durch die Gehäusedurchbrechungen ¥ und i' mit dem unteren Zylinderende, in welchem die Kompression beendet ist, in Verbindung zu treten.

   Da sich der Kolben gegen das Ende der Ausstoßperiode mit verhältnismäßig sehr kleiner Geschwindigkeit bewegt, so ist es nicht gerade notwendig, daß beide Durchbrechungen k und i gleich weit gewählt werden; wichtig ist nur, daß dieselben gleichzeitig geöffnet werden, damit ' die größte Eröffnungsweite möglichst schnell erreicht werde, denn gerade bei Beginn der Austrittsperiode besitzt der Kolben die größte Geschwindigkeit und vertreibt daher das größte Luftvolumen pro Zeiteinheit.

   Gewünschtenfalls könnte bei der Anordnung nach den Fig. 8 und 9 auch das Luftansaugen während der ganzen oder eines Teiles der Saugperiode durch zwei Kanäle bewirkt werden; hierzu bedürfte es nur der Anordnung einer weiteren (sechsten) Durchbrechung im Schiebergehäuse, die gegenüber der Durchbrechung h entsprechend (120 °) versetzt und von derselben oder einer kleineren Weite ist als letztere.

   Pat ε ν τ-A ν Sprüche:

   ι. Luftkompressor mit hin und her gehendem Kolben und Steuerung der Luft durch nur zwei mit kleinerer Winkelgeschwindigkeit als die Kompressorantriebwelle kreisende Drehschieber für jeden Zylinder, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Steuerung des Luftaustritts dienende Drehschieber mit zwei sich gleichzeitig eröffnenden Durchlaßkänälen (c und d, Fig. 5) versehen ist, zum Zwecke, das Eröffnen der Austrittsöffnung bis zur vollen Weite zu beschleunigen und so die mittlere Austrittsgeschwindigkeit ohne Vergrößerung des Schieberdurchmessers herabzusetzen.
2. 2. Luftkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß — zwecks Erzielung eines Luftaustritts gleichzeitig durch zwei Kanäle auch dann, wenn jeder Drehschieber den Ein- und Auslaß eines Zylinderendes bedient — die Drehschieber mit drei unter 120 ° zueinander stehenden radialen Kanälen (e, f, g) versehen sind, die mit einer dreifach geringeren Winkelgeschwindigkeit als die Kompressorwelle in Gehäusen mit fünf Durchbrechungen (h, i, k, m, n) kreisen, von denen drei (h, i, k) an den Zylinder angeschlossen und so versetzt zu den übrigen zwei (m und n) angeordnet sind, daß unmittelbar nach Freigabe der Auslaßdurchbrechung (n) die kleinen Durchbrechungen (k und i) gleichzeitig eröffnet werden, während vor Freigabe der Ansaugedurchbrechung (m) der Durchlaßkanal (e, f, g) durch die Durchbrechung (h) mit dem Zylinder in Verbindung gesetzt wird.

   Hierzu 3 Blatt Zeichnungen.