DE2437714A1

DE2437714A1 - Schlitzsteuerung des gaswechsels bei der schwingdrehkolbenmaschine

Info

Publication number: DE2437714A1
Application number: DE2437714A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dipl Ing Kayser
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1974-08-06
Filing date: 1974-08-06
Publication date: 1976-03-04
Also published as: DE2437714B2

Description

S c h 1 i t z s t e u e r u n g d e s G a s w e c h -seils bei der S chwingdr ehkolb enmaschine Beschreibung der Erfindung Es war das Ziel der Hauptanme'ldung, eine Erhöhung der spezifischen Leistungsfähigkeit der Schwingdrehkolbenmaschine, der mittelachsigen Rotationskolbenmaschine mit gegeneinanderschwingenden Kolben, durch Steigerung ihrer Schnelläufigkeit zu erreichen, und sie als Expansions-oder Kompressionsaggregat für die Förderung ölfreien Gases umzugestalten. Hierzu wurde sie a) mit berührungsloser Gas- und Ölabdichtung ausgerüstet und b-) mit einem verbesserten, leistungsstarken Getriebe ausgestattet.
Verbunden mit der Maßnahme a) war die Umformung des Arbeitsraumes und die teilweise Einbeziehung seiner Wände in die schwingenden Kolbentragscheiben, wodurch neben der günstigeren Dicht- auch verbesserte Herstellungsmöglic'nkeiten erreicht. wurden.
Nun wachsen bei derartigen " Katz- und Maus "- Maschinen die Gaswechsel- Energieverluste quadratisch mit der Schnelläufigkeit der Maschine, was der angestrebten Leistungsverbesserung bald Grenzen setzt. Während die Vorgänge " Aueschieben des expandierten Gases " beziehungsweise " ansaugen des zu verdichtenden Gases " Schlitze erfordern, die während des gesamten Arbeitshubes offen sind, verlangen die Vorgänge " Einschieben vor der Expansion " bezw. " Ausschieben nach der Kompression " ein schlagartiges Abschließen des Einströmkanals in der Anfngsphase des Arbeitshubes bezw. ein schlagartiges Öffnen des Austrittskanals gegen Ende des Arbeitshubes. Normalerweise fällt diese Aufgabe aber den gerade ab sperrenden, d.h. relativ zu den Aus- bezw. Einlaßkanälen im Gehäuse sich im erforderlichen Zeitpunkt gerade sehr 12ngsam fortbewegenden Kolben zu. In ihrer langsamsten Umlaufphase vermögen die Schwingdrehkolben die Einschiebeschlitze nur zögernd zu schließen bezw. die Ausschiebeschlitze nur wenig zu öffnen, was umso unzureichender ist,je schneller die Maschine läuft.
Es scheitert an den technischen Leistungsgrenzen ausführbarer Ventile, bei der Schnelläufigkeit der Schwingdrehkolbenexpansions- bezw. -kompressionsmaschinen ihnen die Steuerung des Gaswechsels übertragen zu können. Es hieße aber, einen hohen Aufwand treiben, und würde eine erhebliche KompliZation der Maschine bedeuten, füt jeden Arbeitsraum einen besonderen Steuerschieber vorzusehen und zu betätigen, zumal bei Expansionsmaschinen die Kühlung der heißgasdurchströmten Steuerschieber hinzukäme.
Es ist zu überlegen, ob man die Steuerung des kritischen Gaswechselvorgangs nicht von den Absperrkolben auf die gerade arbeitenden Schwingdrehkolben übertragen kann, die im erforderlichen Zeitpunkt -rund achtmal so schnell wie jene umlaufen und bei gleicher Schlitzlänge in der selben Zeit die achtfache Schlitzfläche abschließen bezw. öffnen könnten. Das würde eine Reduzierung der Ein- bezw. Ausströmgeschwindigkeit auf 1/8 ihres Wertes und der Gaswechselverluste auf 1/64-ihres ertes zur Folge haben.
So zeigt sich, daß die Absperrkolben~überhaupt nur bei sehr langsamen Schwingdrehkolbenmaschinen den Gaswechsel steuern können, während sie--beispielsweise bei raschen Kompressoren nur ein Leck zu öffnen vermögen, aus dem das komprimmierte Gas unter hohen- Verlusten aber in ungenügender rDurchströmmenge mit-. Schallgeschwindigkeit herauspfeift.
In der Tat begünstigt aber die bisher aus Gründen der Anbringung von Dichtflächen und der Herstellbarkeit gewählte Bauform des Arbeitsraumes und der Kolbentragscheiben der Schwingdrehkolbenmaschine die erforderliche ubertragung der Ein- bezw. Auslaßsteuerung auf die Arbeitskolben, denn die Steuerkanten können zwar nicht an den Schwingdrehkolben selbst aber in der mit den jeweiligen Kolben umlaufenden Arbeitsraumwand an geordnet werden. Damit ist eine Lösung ziir Reduzierung der- Gaswechsel- Energieverluste bei der Schwingdrehkolbenmaschine gefunden.
Die Ausschiebekanäle bei der Expansions- hezw. die Ansaugkanäle bei der Kompressionsmaschine b-rauchen nicht schnell geöffnet und geschlossen zu werden, sondern es ist Sorge zu tragen, daß sie während des ganzen Hubs weit offen sind. In diesem Sinn ist es wahrscheinlich wertvoll, sie mit Beginn des Hubs nicht erst von Null an zu öffnen bezw. am Hubende restlos zu schließen, sondern sie 5 ° bis 10 ° vorgeöffnet bezw. nachgeöffnet zu halten. Dabei gehen zwar zwischen 2 und 10 % des Expansionsend- bezw.
des Kompressionsanfangsvolumens verloren, man vergrößert dafür aber die offene Pläche des Aus- bezw. Eintrittsschlitzes um 80 bis 250 %. {nachdem, wie hoch die Ausschiebeverluste bei der Expansions- bezw. die Ansaugverluste bei der Kompressionsmaschine sind, lohnt es sich mehr oder weniger, sie auf diese Art zu vermindern.
Die Erfindung ist in den Figuren 1 bis 4 dargestellt, wobei die Figueren 3und 4 in abgewickelten Umfangsschnitten anschaulich die Aufeinandrefolge der verschiedenen Schwingdrehkolben und Arbeitsräume sowie die Verbundenheit der Kolben mit den seitlichen Arbeitraumwänden zeigen Die Figuren 1 bis 3 enthalten die Anordnung für eine Expansionsschwingdrehkolbenmaschine, während in Fig. 4 der Schnitt E - P sinngemäß für eine Kompressionsmaschine abgewandelt ist. Der gnenraum der Maschine, der gemäß der Hauptanmeldung das den Schwingdrehvorgang erzeugende Ger triebe birgt, ist nicht dargestellt.
Zwischen den Arbeitskolben (3) und den Absperrkolben (9) liegen die Expansionsarbeitsräume (1) und die Ausschiebearbeitsräume (13); beziehungsweise in Fig. 4 stellen (1) die Kompressions- und (13) die Ansaugarbeitsräume dar.
Die weitere Beschreibung bezieht sich aber nur noch auf die in Fig. 1 - 3 gezeigte Expansionsausführung. Mit den Arbeitskolben (3) rotiert die in Fig. 3 linke Wand (2) der Arbeitsräume (1,13) mit, die in Drehrichtung hinter den Kolben (3) die steuernden Einlaßschlitze (4) aufweist.
Es wird eine Stellung kurz vor Ende'des Druckgaseinschiebevorgangs gezeigt. Die Endkanten der Steuerschlitze (4) haben fast die Endkanten der zündungen (6) der Einlaßkanäle (7) in der in Fig. 3 links und in Fig. 2 rechts liegenden, gleichen Gehäusewand (8) erreicht. Anschließend wird die Expansion in den Arbeitsräumen (1) erfolgen und andauern, bis die Vorderkanten der Arbeitskolben (3) die Stellungen Y = 00,900,1800 und 2700 erreichen.
Während des ganzen Arbeitshubes von (3),'der sich von y = 22,50 bisy= ( 90 - ca. 7 )°, etc., erstreckt, sind die Arbeitsräume (13) am Umfang (17) des Gehäuses zu den Auslaßkanälen (16) hin offen und das im vorausgehenden Hub expandierte Gas wird ausgeschoben. Wenn die Arbeitskolben (3) mit ihrer Vorderfläche die Orte # = 00,900, 1800 und 2700 erreichen, befinden sich dort auch die Endflächen der Absperrkolben (9), das Gas ist restlos auseschoben bezw. expandiert, und die Kolben tauschen vom Getriebe her gesteuert ihre Funktionen. Mit den neuen Arbeitskolben ist die Arbeitsraumvxand (10) verbunden, und die in ihr befindlichen Steuerschlitzu (11), die während des vorausgegangenen Arbeitshubes von der Gehäusewand (12) abgedeckt waren, führen nun an der Kanalmündung (14) ihre aufgabe durch, während die Steuerschlitze (4) jetzt im Ausschiebearbeitsraum liegen und durch die Gehäusewand (8) geschlossen sind.
Die Gehäusewände (8 und 12) sind , wie in der Hauptanmeldung vorgesehen, mit berührungsfreien Labyrinthdichtungen überzogen. Im Gegensatz zu dort sind aber keine vorzugsweise in einer Richtung sperrende Strukturen mehr zu benutzen, sondern solche, die in allen Richtungen der Dich-tspaltfläche gleichmäßig wirken, in der Hauptanmeldung für andere Stellen schon vorgeschlagen wurden und inzwischen auch durch die OS 2 232 609 propagiert werden. Hierdurch sollen die über die Wandspalte in die Ausschiebe- und Expansionsarbeitsräume hineingelangenden Leckgasströme verkleinert werden. Aus dem gleichen Grunde wird zur Verlängerung der Dichttiefe die Anbringung der in entsprchende Aussparungen der Gehäusewände (8 und 12) vorkragenden Flansche (15) an den umlaufenden und hin- und herschwingenden Arbeitsraumwänden (2 und 10) vorgeschlagen.

Claims

Zusatzanmel ng zur Anmeldung P 23 60 078.4-13 / Schwingdrehko enmaselline /

S c h 1 i t z s t e u e r u n g d e s G a s w é c h -5 e 1 s b e i d e r S c h w i n g d r e h k o 1 -b e n m a s c h i n-e Patentansprüche Schlitzsteuerung des -Gaswechseis bei der Schwingdrehkolbenmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß in den mit den Schwingdrehkolben (3 und 9) verbundenen, schwingenden und umlaufenden Arbeit-sraumwänden (2 und 10) bei Expansionsmaschinen direkt hinter bezw. bei Kompressoren direkt vor den S-chwingdrehkolben (3 und 9) Steuerschlitze (4 und 11) von größtmöglicher Umfangsershreckung sowie radialer Höne angeordnet sind, daß die Ga~sein- bezw. -ausschiebekanäle (7 und 14) geteilt in beiden Gehäuseseitenwänden (8 und 12) in gleichem radialem Abstand von der Mittelachse und in gleicher radialer Erstreckung wie die Steuerschlitze (4 und 11) münden, derart, daß die Voreerkanten der Mündungsschlitze (6 und 18) bei Expansionsmahinter schinen ca. 5 bis 10 ° in Umlaufrichtung den Schwingungstotlagen " = 00,900,1800 und 2700 angeordnet sind, und 2. 8. 1974 ihre Hinterkanten in der Lage durch das gewünschte Expansionsverhältnis der Maschine festgelegt werden, bezw. daß bei Kompressionsmaschinen die Hinterkanten der Mündungsschlitze (6 und 18) ca. 5 bis 10 ° in Umlaufrichtung vor den genannten Schwingungstotlagen und die Vorderkanten entsprechend'dem Kompressionsverhältnis angeordnet sind, und daß bei Expansionsmaschinen die Hinterkanten der Mündungsschlitze (16) der Ausschiebekanäle ca. 5 bis 10 0 vor den Schwingungstotlagen in der Mantelgehäusewand (17 liegen, bezw. daß bei Kompressionsmaschinen die Vorderkanten der Mündungsschlitze (16) der Ansaugkanäle ca.

5 bis 10 ° hinter den genannten Schwingungstotlagen in der Mantelgehäusewand (17) sich befinden, und daß bei beiden Maschinen die Mündungsschlitze (16) etwa die gleiche Umfangserstreckung aufweisen wie die Schwingdrehkolben (3 und 9).
2. Schwingdrehkolbenmaschine mit Schlitzsteuerung gemäß An -spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Kolben (3 und 9) umlaufenden, seitlichen Arbeitsraumwände(2 und lo) Flansche (15r tragen, die eng passend berührungslos in entsprechende nutartige Aussparungen der Gehäusewände(8 und 12) hineinkragen und vertiefte Dichtspalte herstellen.

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