DE2440889C2 - Vorrichtung zur Regelung der von einer Heißgaskolbenmaschine abgegebenen Leistung - Google Patents

Description

a) bei Druckerhöhung des Arbeitsgases zwei gleichzeitig offene Strömungswege ausgehend vom Speicherbehälter (10), von denen der eine direkt und der andere über den Verdichter (11) zu den Arbeitsräumen (4,5) führt,

b) bei Gleichhaltung des Druckes des Arbeitsgases zwei gleichzeitig offene Strömungswege, von denen der eine vom Verdichteraustriu (16) zum Speicherbehälter (10) und der andere von letzterem zum Verdichtereintritt (17) führt,

c) bei Drucksenkung des Arbeitsgases zwei gleichzeitig offene Strömungswege ausgehend von den Arbeitsräumen (4, 5), von denen der eine direkt und der andere über den Verdichter (11) zum Speicherbehäiter(lO) führt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalt- und Absperrvorrichtung aus zwei Einheiten (12, 13) rnit je vier Anschlüssen für äußere Strömungswege besteht, bei denen jeweils der erste Anschluß mit dem Speicherbehälter (10) und jeweils der zweite Anschluß mit einer Kurzschlußleitung (14) in Verbindung stehen, während der dritte Anschluß der ersten Einheit (13) mit dem Verdichtereintritt (17), der dritte Anschluß der zweiten Einheit (12) mit dem Verdichteraustritt (16) sowie jeweils der vierte Anschluß mit den Arbeitsräumen (4, 5) in Verbindung stehen, und daß in die Kurzschlußleitung (14) ein Rückschlagventil (15) eingebaut ist, das ein Rückströmen des Arbeitsgases vom Verdichteraustritt (16) über die Kurzschlußleitung (14) zum Verdichtereintritt (17) verhindert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Einheiten (12, 13) der Umschalt- und Absperrvorrichtung jeweils zwei Stellungen einnehmen kann, in denen drei der vier Anschlüsse für die äußeren Strömungswege durch innere Strömungswege der Einheiten miteinander verbunden sind, wobei die Anschlüsse, die zur Kurzschlußleitung (14) bzw. zum Verdichter (U) führen, in beiden Stellungen Verbindung miteinander haben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den vom Verdichteraustritt (16) zu den Arbeitsräumen (4, 5) führenden Strömungsweg ein Rückschlagventil (18) in der Nähe der Arbeitsräume eingebaut ist, das ein Ausströmen von Arbeitsgas aus den Arbeitsräumen verhindert, und daß in den von den Arbeitsraumen (4, 5) zum Verdichtereintritt (17) führenden Strömungsweg ein Rückschlagventil (19) in der Nähe der Arbeitsräume eingebaut ist, das ein Einströmen von Arbeitsgas in die Arbeätsräume verhindert

ίο Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der von einer Heißgaskoibenmaschine abgegebenen Leistung durch Änderung des mittleren Druckes des in den Arbeitsräumen der Maschine befindlichen Arbeitsgases, mit einem Speicherbehälter und einem Verdichter für das Arbeitsgas, ferner mit Verbindungsleitungen und mindestens einem Rückschlagventil sowie mit einer Umschalt- und Absperrvorrichtung, mittels welcher zur Druckerhöhung des Arbeitsgases der Verdichteraustritt und der Speicherbehälter mit den Arbeitsräumen und zur Drucksenkung des Arbeitsgases der Verdichtereintritt und der Speicherbehälter mit den Arbeitsräumen der Maschine verbunden werden können.

Eine Vorrichtung dieser Art ist durch ein älteres Patent - DE-PS 24 22 150 - geschützt. Bei dieser Vorrichtung sind in einen Strömungsweg von den Arbeitszylindern der Maschine zum Speicherbehälter bzw. zum Verdichtereintritt sowie vom Verdichteraustritt zum Speicherbehälter bzw. zu den Arbeitsraumen zurück jeweils ein wahlweise in zwei Durchlaßstellungen umschaltbares Ventil eingeschaltet. Über diese beiden Ventile sind folgende Strömungswege herstellbar. Für eine Leistungserhöhung ist entweder ein Strömungsweg vom Speicherbehälter über ein Umschaltventil direkt zu den Arbeitsräumen oder wahlweij5 se auch nur ein Strömungsweg vom Speicherbehälter über das eine Umschaltventil zum Verdichter und von diesem aus weiter über das andere Umschaltventil zu den Arbeitsraumen der Maschine freigegeben. In umgekehrter Richtung wird bei einer Leistungsreduzierung vorgegangen, nämlich dergestalt, daß entweder ein Strömungsweg von den Arbeitsraumen über ein Umschaltventil direkt zum Speicherbehälter oder wahlweise ein Strömungsweg von den Arbeitsraumen und das eine Umschaltventil zum Verdichter sowie von diesem weiter über das andere Umschaltventil zum Speicherbehälter freigegeben ist.

Darüber hinaus sind aus der DE-OS 14 76 665 und der

DE-OS 22 57 811 ebenfalls Vorrichtungen zur Regelung der von einer Heißgaskoibenmaschine abgegebenen

so Leistung durch Änderung der in den Arbeitsräumen der Maschine enthaltenen Arbeitsgasmenge bekannt.

Bei der erstgenannten bekannten Bauart sind Verdichteraustritt und Speicherbehälter hintereinandergeschaltet und der Speicherbehälter steht unter hohem Druck. Die Druckerhöhung bzw. Leistungssteigerung geht dort zwar schnell vonstatten, die Drucksenkung bzw. Leistungsverminderung jedoch langsam, weil der Verdichter erst das Arbeiisgas aus den Arbeitsräumen herauspumpen muß, so daß die Maschine bei Entlastung durchgehen müßte, wenn dies nicht durch Hinzunahme eines weiteren Gasbehälters und eines Kurzschlußventiles verhindert würde. Vergleiche MTZ 29 (1968), Seite 290-291. Bei der an zweiter Stelle genannten bekannten Bauart gemäß der DE-OS 22 57 811 sind Verdichtereintritt und Speicherbehälter hintereinandergeschaltet und der Speicherbehälter steht unter niedrigem Druck. Dort geht zwar die Drucksenkung bzw. die Leistungsverminderung schnell

vonstatten, nicht aber die Druckerhöhung bzw. Leistungssteigerung, weil der Verdichter erst das Arbeitsgas in die Arbeitsräume hineinpumpen muß. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Regelungsvorrichtungen besteht darin, daß der Verdichter dauernd gegen hohen Druck arbeiten muß, teilweise sogar gegen ein geschlossenes Ventil, was zu vorzeitigem Verschleiß führt.

Man kann die Nachteile der bekannten Lösungen vermeiden, wenn man den Druck im Speicherbehälter auf einem mittleren Wert hält und jeweils zunächst das Druckgefälle zwischen den Arbeitsräumen und dem Speicherbehälter, das bei voller Leistung und bei Leerlauf am höchsten ist, zur schnellen Druckänderung in den Arbeitsräumen ausnutzt und lediglich die für das ₎₅ betreffende Leistung>niveau noch zusätzlich erforderliche Druckänderung durch den Verdichter bewirken läßt. Dabei sollte das Eingreifen des Verdichters nach erfolgtem Druckausgleich zwischen Speicherbehälter und Arbeitsräumen automatisch erfolgen, damit die Regelvorrichtung nicht zu kompliziert wird. Außerdem ist zu vermeiden, daß der Verdichter dauernd, d. h. auch bei gleichbleibender Leistung der Heißgaskolbenmaschine, gegen hohen Druck oder gar gegen ein geschlossenes Ventil arbeiten muß.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Regelvorrichtung zur Verwirklichung des geschilderten verbesserten Regelverfahrens.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Umschalt- und Absperrvorrichtung gelöst, durch welche die folgenden Strömungswege für das Arbeitsgas herstellbar sind:

a) Bei Druckerhöhung des Arbeitsgases zwei gleichzeitig offene Strömungswege ausgehend vom Speicherbehälter, von denen der eine direkt und der andere über den Verdichter zu den Arbeitsräumen führt.

b) Bei Gleichhaltung des Druckes des Arbeitsgases zwei gleichzeitig offene Strömungswege, von denen der eine vom Verdichteraustritt zum Speicherbehälter und der andere von letzterem zum Verdichtereintritt führt.

c) Bei Drucksenkung des Arbeitsgases zwei gleichzeitig offene Strömungswege ausgehend von den Arbeitsräumen, von denen der eine direkt und der andere über den Verdichter zu dem Speicherbehälter führt.

Die vorgenannten drei Arbeitsstellungen a), b) und c) ergeben eine Dreipunktregelung mit den Arbeitsvorgängen »Mehr Leistung«, »Gleiche Leistung« und »Weniger Leistung«, die demzufolge leicht von einem Drehzahlregler gesteuert werden können. Der Verdichter braucht im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen im Höchstfall nur die halbe Druckdifferenz zu überwinden und ist bei gleichbleibender Leistung völlig entlastet. Die erfindungsgemäße Regelung arbeitet jeweils in einer Richtung erheblich schneller als die bekannten Vorrichtungen.

Zweckmäßig besteht die erfindungsgemäße Umschalt- und Absperrvorrichtung aus zwei Einheiten mit je vier Anschlüssen für äußere Strömungswege, bei denen jeweils ein erster Anschluß mit dem Speicherbehälter und jeweils ein zweiter Anschluß mit einer b, Kurzschlußleitung in Verbindung stehen, während der dritte und vierte Anschluß der ersten Einheit mit dem Verdichtereintrilt bzw. mit den Arbeitsräumen und der dritte und vierte Anschluß der zweiten Einheit mit dem Verdichteraustritt bzw. den Arbeitsräumen \n Verbindung stehen, wobei in die Kurzschlußleitung ein Rückschlagventil eingebaut ist, das ein Rückströmen des Arbeitsgases vom Verdichteraustritt über die Kurzschlußleitung zum Verdichtereintritt verhindert.

Eine vorteilhafte Vereinfachung der Regelvorrichtung kann dadurch erreicht werden, daß jede der beiden Einheiten der Umschalt- und Absperrvorrichtung nur zwei Stellungen einnehmen kann, in denen drei der vier Anschlüsse für die äußeren Strömungswege durch innere Strömungswege der Einheiten miteinander verbunden sind, wobei die Anschlüsse, die zur Kurzschlußleitung bzw. zum Verdichter führen in allen Stellungen miteinander verbunden sind.

Vorteilhaft sind in die vom Verdichteraustritt bzw. vom Verdichtereintritt zu den Arbeitsräumen führenden Strömungswege Rückschlagventile in der Nähe der Arbeitsräume eingebaut, die ein Rückströmen von Arbeitsgas in unerwünschter Richtung verhindern. Diese Rückschlagventile bewirken eine Verkleinerung der schädlichen Räume der Heißgaskolbenmaschine und senken das Druckverhältnis des Verdichters für das Arbeitsgas.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Heißgaskolbenmaschine mit der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung, wobei sich die Umschalt- und Absperrvorrichtung in der Stellung für Leistungssteigerung befindet.

Fig. 2 zeigt die gleiche Maschine und Vorrichtung in der Stellung für gleichbleibende Leistung.

F i g. 3 zeigt die gleiche Maschine und Vorrichtung in der Stellung für Leistungsverminderung.

Von der Heißgaskolbenmaschine ist eine Zylindereinheit dargestellt. In dem Zylinder 1 führen der Arbeitskolben 2 und der Verdrängerkolben 3 hin- und hergehende, gegeneinander phasenverschobene Bewegungen aus, die durch ein nicht dargestelltes mit den Kolben verbundenes Triebwerk bewirkt werden. Die Arbeitsräume der Maschine werden von dem kalten Raum 4 und dem heißen Raum 5 gebildet, die über den Kühler 6, den Regenerator 7 und den Erhitzer 8 miteinander in Verbindung stehen. In den Räumen 4 und 5 herrscht ungefähr der gleiche Druck, der unter dem Einfluß der durch die Kolbenbewegungen verursachten periodischen Volumenänderungen der Räume 4 und 5 um einen Mittelwert schwankt, der ein Maß für die von der Maschine abgegebene Leistung darstellt. Dem Erhitzer 8 wird durch eine Heizvorrichtung 9 von außen Wärme zugeführt.

Die Regelvorrichtung besteht aus dem Speicherbehälter 10 und dem von der Heißgaskolbenmaschine angetriebenen Verdichter 11 für das Arbeitsgas, sowie einer Umschalt- und Absperrvorrichtung, die von den Einheiten 12 und 13 gebildet wird, die bei dem Ausführungsbeispiel als Umschalt- und Absperrhähne ausgeführt sind, deren Gehäuse vier Anschlüsse für äußere Strömungswege und deren Küken drei innere miteinander verbundene Strömungswege aufweisen und zwei Stellungen einnehmen können. Die Einheiten 12 und 13 sind durch eine Kurzschlußleitung 14 miteinander verbunden, in die ein Rückschlagventil 15 eingebaut ist, das ein Rückströmen von Arbeitsgas von dem Verdichteraustritt 16 über die Kurzschlußleitung 14 zum Verdichtereintritt 17 verhindert. In den Strömungsweg, der vom Verdichteraustritt 16 zu den Arbeitsräumen 4 und 5 führt, ist ein Rückschlagventil 18 in der Nähe des

kalten Raumes 4 eingebaut, das ein Ausströmen von Arbeitsgas aus dem Raum 4 verhindert. In den Strömungsweg, der vom Verdichtereintritt 17 zu den Arbeitsräumen 4 und 5 führt, ist ein Rückschlagventil 19 in der Nähe des Raumes 4 eingebaut, das ein Einströmen von Arbeitsgas in diesen Raum verhindert.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung kann wie folgt beschrieben werden:

Vor der Inbetriebnahme der Heißgaskolbenmaschine wird der Speicherbehälter 10 mit Arbeitsgas, meist i> Helium, aufgefüllt, so daß er unter einem Druck steht, der zwischen den mittleren Drücken in den Arbeitsräumen 4 und 5 bei voller Leistung und bei Leerlauf der Maschine liegt. Dann werden die Umschalt- und Absperrhähne 12 und 13 in die in Fig. 1 gezeigte _r Stellung gebracht, worauf sich der kalte Raum 4 und der heiße Raum 5, letzterer über den Kühler 6, den Regenerator 7 und den Erhitzer 8, mit Arbeitsgas füllen, bis im Speicherbehälter 10 und in den Arbeitsräumen 4 und 5 der gleiche Druck herrscht. Dabei strömt das : Arbeitsgas aus dem Speicherbehälter 10 über den Umschalt- und Absperrhahn 13, das Rückschlagventil 15, die Kurzschlußleitung 14, den Umschalt- und Absperrhahn 12 und das Rückschlagventil 18 innerhalb kürzester Zeit in den kalten Raum 4 und von dort über i den erwähnten Weg 6,7,8 in den Raum 5. Dann wird die Maschine durch einen nicht dargestellten Anlasser angeworfen. Reicht das in den Räumen 4 und 5 herrschende Druckniveau nach erfolgtem Druckausgleich nicht aus für die von der Maschine abzugebende j Leistung, was sich in einem Absinken der Maschinendrehzahl unter den Sollwert äußert, so beläßt der nicht dargestellte Drehzahlregler der Maschine die Umschalt- und Absperrhähne 12 und 13 in der in Fig. 1 dargestellten Lage. Dann fängt der Verdichter 11 ;-, automatisch an Arbeitsgas aus dem Speicherbehälter 10 in die Räume 4 und 5 zu fördern. Dabei strömt das Arbeitsgas von dem Speicherbehälter 10 über den Umschalt- und Absperrhahn 13 zum Verdichtereintritt 17, wird vom Verdichter 11 auf höheren Druck gebracht ^o und strömt dann von dem Verdichteraustritt 16 über den Umschalt- und Absperrhahn 12 und das Rückschlagventil 18 in den Raum 4 und von dort in den Raum 5. Die Druckdifferenz zwischen Verdichteraustritt 16 und Verdichtereintritt 17 hält das Rückschlagventil 15 und 4-> damit die Kurzschlußleitung 14 geschlossen.

Hat der mittlere Druck in den Arbeitsräumen 4 und 5 den zu der jeweiligen Maschinenleistung gehörenden Wert erreicht, was sich im Erreichen der Solldrehzahl äußert, so bringt der Drehzahlregler den Umschalt- und -,n Absperrhahn 12 in die Stellung gemäß F i g. 2, während das Umschalt- und Absperrventil 13 in seiner Stellung verharrt Nun fördert der Verdichter 11 das Arbeitsgas vom Verdichteraustritt 16 über den Umschalt- und Absperrhahn 12 in den Speicherbehälter 10, aus dem das v, Arbeitsgas über den Umschalt- und Absperrhahn 13 wieder zum Verdichereintritt zurück gelangt Dabei braucht der Verdichter 11 nur die Strömungswiderstände zu überwinden, wobei diese Druckdifferenz das Rückschlagventil 15 und damit die Kurzschlußleitung 14 geschlossen hält.

Ist der mittlere Druck in den Arbeitsräumen 4 und 5, z. B. nach einer Entlastung der Maschine, zu hoch für die anzugebende Maschinenleistung, was sich in einem Ansteigen der Maschinendrehzahl äußert, so bringt der Drehzahlregler der Maschine den Umschalt- und

ι Absperrhahn 13 in die in Fig. 3 gezeigte Stellung, während der Umschalt- und Absperrhahn 12 in seiner Stellung verharrt. Da der mittlere Druck in den Arbeitsräumen 4 und 5 für die vorausgegangene Leistungsperiode von dem Verdichter 11 über den

, Druck im Speicherbehälter 10 erhöht war, kann nunmehr Arbeitsgas aus dem Raum 4 und damit auch aus dem Raum 5 in kürzester Zeit über das Rückschlagventil 19, den Umschalt- und Absperrhahn 13, das Rückschlagventil 15, die Kurzschlußleitung 14

ι und den Umschalt- und Absperrhahn 12 in den Speicherbehälter 10 strömen, bis der Druckunterschied zwischen den Arbeitsräumen 4 bzw. 5 und dem Speicherbehälter 10 abgebaut ist. Ist der in den Räumen 4 und 5 nach diesem Druckausgleich noch vorhandene

j Druck zu hoch für die von der Maschine abzugebende Leistung, was sich in einer über dem Sollwert liegenden Maschinendrehzahl äußert, so hält der Drehzahlregler die in F i g. 3 gezeigten Stellungen der Umschalt- und Absperrhähne 12 und 13 aufrecht. Der Verdichter 11

) fängt dann automatisch an Arbeitsgas aus dem kalten Raum 4 und damit auch aus dem heißen Raum 5 zu entnehmen und in den Speicherbehälter 10 zu fördern. Dabei strömt das Arbeitsgas aus dem Raum 4 über das Rückschlagventil 19, über den Umschalt- und Absperr-

, hahn 13 zum Verdichtereintritt 17, wird von dem Verdichter 11 auf höheren Druck gebracht und strömt von dem Verdichteraustritt 16 über den Umschalt- und Absperrhahn 12 in den Speicherbehälter 10. Ist der Druck in den Arbeitsräumen 4 und 5 so weit gefallen,

ι daß die Maschinendrehzahl auf den Sollwert zurückgeht, so bringt der Drehzahlregler den Umschalt- und Absperrhahn 13 wieder in die in Fig. 2 gezeigte Stellung.

Es wird demnach sowohl bei Leistungssteigerung, als auch bei Leistungsverminderung jeweils zunächst das Druckgefälle zwischen dem Speicherbehälter 10 und den Arbeitsräumen 4 bzw. 5 dazu benutzt das Arbeitsgas schnell in die bzw. aus den Arbeitsräumen 4 und 5 zu bringen und damit die Reaktion der Regelung auf Belastungsänderungen schnell in Gang zu bringen. Erst dann setzt die Wirkung des Verdichters 11 automatisch ein, der die restliche Druckänderung verhältnismäßig schnell zu Stande bringt, weil er nur noch eine relativ kleine Druckdifferenz zu überwinden braucht. Dieses Verfahren ergibt unter den gegebenen Umständen das schnellstmöglichste Reagieren der Leistungsregelung in beiden Richtungen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

24 40 389 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Regelung der von einer Heißgaskolbenmaschine abgegebenen Leistung durch Änderung des mittleren Druckes des in den Arbeitsräumen der Maschine befindlichen Arbeitsgases, mit einem Speicherbehälter und einem Verdichter für das Arbeitsgas, ferner mit Verbindungsleitungen und mindestens einem Rückschlagventil sowie mit einer Umschalt- und Absperrvorrichtung, mittels welcher zur Druckerhöhung des Arbeitsgases der Verdichteraustritt und der Speicherbehälter mit den Arbeitsräumen und zur Drucksenkung des Arbeitsgases der Verdichtereintritt und der Speicherbehälter mit den Arbeitsräumen der Maschine verbunden werden können, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Umschaii- und Absperrvorrichtung die folgenden Strömungswege für das Arbeitsgas herstellbar sind: