DE3433762C2 - Flügelzellenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Kleine Dampfkraftanlagen mit vorgegebenem Kesseldruck erfordern eine wirtschaftlich herzustellende wartungsarme Kraft- bzw. Arbeitsmaschine ohne zusätzlichen Ölkreislauf mit Trennungsvorrichtungen von Schmieröl und Arbeitsmedium. Ferner sollte eine Leistungsregelung der Maschine durch ein Steuerelement erfolgen, welches keine Drosselung des Ein- bzw. Auslaßquerschnitts bewirkt und so den thermischen Wirkungsgrad der Gesamtanlage verschlechtert. Das Steuerelement darf keine nennenswerte Reaktionskräfte auf die Lager beim Öffnen oder Schließen hervorrufen, da dieses dem mechanischen Wirkungsgrad schaden würde. Ferner sollten die Stellkräfte auf dieses Steuerelement so gering wie möglich sein, damit dem Gesamtprozeß für die Steuerung der Maschine kein Verlust entsteht.

Es sind bereits nach dem Flügelzellenprinzip arbeitende Maschinen als Druckluftmotoren und Kompressoren bekannt. Es ist ferner bekannt, daß die Druckluftmotoren und der überwiegende Teil der Kompressoren mit Ölschmierung zur Erhöhung der Abdichtung und Verschleißminderung versehen sind. Druckluftmotoren verfügen teilweise über Vorrichtungen zur Leistungsregelung. Bei den Kompressoren werden, um die Abdichtung zu verbessern und die Belastung und den Verschleiß zu mindern, Trennschieber teilweise schräggestellt.

Ölgeschmierte Maschinen können nur dort einfach eingesetzt werden, wo der Schmierstoff nicht als Verunreinigung des Arbeitsmediums aufgefaßt werden muß. Im anderen Falle müßte das Schmieröl, das immer als Verlustöl eingesetzt wird, aus dem Arbeitsmedium herausgefiltert werden, was vollständig nicht möglich ist und auch unvollständig zu einem erheblichen technischen Aufwand führt. Ein Schrägstellen der Trennschieber begrenzt den Einsatz der Maschine auf eine Drehrichtung, d. h. in diesem Fall kann nicht nach Bedarf von Motor- auf Kompressorbetrieb oder umgekehrt umgeschaltet werden. Die bekannten Vorrichtungen zur Leistungsregelung basieren auf dem Drosselprinzip, d. h. der im Kessel bereitgestellte Druck wird vor dem Druckluftmotor in einem Drosselventil den Anforderungen entsprechend abgebaut; das setzt den Gesamtwirkungsgrad der Anlage erheblich herab.

Es ist bekannt, Dampfmaschinen, Verbrennungsmotoren und auch Kompressoren durch Drehschieber zu steuern (BE-A-434762, BE- A-469064, DE-A-472545). Zylindrische Drehschieber mit einseitigen Durchbrüchen gestatten zwar durch axiales Verschieben eine Mengenregelung (vergl. DE-A-4 72 545, BE-A-469064), jedoch kommt es beim Öffnen des Überströmkanals zu einem Druckabfall, der mit den Bernoullischen Gleichungen berechnet werden kann. Aus diesem Druckabfall resultiert eine entgegengesetzte Reaktionskraft auf den Drehschieber, die von dem Drehschiebermantel und -lager aufgenommen werden muß. Schon bei geringer Druckbeaufschlagung verschleißen derartige Drehschieber und deren Lager infolge der hohen Kräfte. Ein verstellbarer reaktionskräftefreier Drehschieber, wie er durch BE-A-434762 bekannt ist, läßt an seinem Mantel keine schrägen Steuerkanten erkennen, durch sein axiales Verstellen werden die Querschnitte zu den Überströmkanälen lediglich verkleinert oder vergrößert, d. h. es erfolgt eine Drosselung, nicht aber eine Steuerung der Ein- bzw. Auslaßzeiten bei vollem Überströmquerschnitt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flügelzellenmaschine einfacher Bauart für niedrige Leistungen und generatorübliche Drehzahlen bereitzustellen, die über einen kraftfreien Drehschieber nach dem Mengenregelungspinzip in der Leistungsabgabe gesteuert werden kann. Die Maschine soll auch mit umgekehrter Drehrichtung als Kompressor betrieben werden können, wobei der Drehschieber einen geforderten Auslaßdruck einstellbar macht.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die in den Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Flügelzellenmaschine nach der Erfindung wird als Kraft- oder Arbeitsmaschine für Solaranlagen und kleine dezentrale Kraft/Wärme-Einheiten eingesetzt. Sie ist eine nach dem Flügelzellenprinzip arbeitende Maschine, bei deren Arbeitsmedium es sich vornehmlich um Dämpfe handelt und bei der die Steuerung der Leistungsabgabe bzw. -aufnahme durch einen allseitig von Reaktionskräften freien Drehschieber erfolgt, der von der Rotorachse mit gleicher Drehzahl oder der Anzahl der Hauptkammern entsprechend untersetzt angetrieben wird. Die Maschine kann als Kraftmaschine (Motor) oder durch Wechsel der Drehrichtung als Arbeitsmaschine (Kompressor) angewendet werden. Um ein Abheben der Trennschieber im Bereich um den Umfangseinlaß bzw. -auslaß zu vermeiden und das als "Hämmern" bekannte Abheben der Trennschieber an bestimmten Stellen der Laufbuchse zu verhindern, werden diese in einem kleinen Sektorbereich während ihres Umlaufs durch den hohlgebohrten Läufer mit dem Druck des Arbeitsmediums beaufschlagt. Dazu werden entsprechend den Kräften an den Trennschiebern die Bohrungen am Läufer als Strömungsdrosseln ausgeführt, wodurch ein übermäßiger Verschleiß der trockenlaufenden Trennschieber vermieden wird. Die Maschine arbeitet intern ohne Ölschmierung, jedoch wird der partiell kondensierende Dampf durch eine entsprechende Materialwahl zur teilweisen Schmierung und Herabsetzung der Reibung herangezogen.

Die Arbeitsmaschine besteht aus einem trommelförmigen Rotor, der radial mit Schlitzen zur Aufnahme der Trennschieber versehen ist. Der Rotor ist angebohrt, so daß unter die Trennschieber durch eine sektorweise Zuführung des im Druck durch eine Dresselbohrung reduzierten Arbeitsmediums die Trennschieber im kritischen Bereich der Laufbuchse angedrückt werden. Die Laufbuchse besteht vorteilhafterweise aus einer Oxydkeramik, die Trennschieber aus einem Kohlefasermaterial. Diese Materialpaarung gewährt von sich aus eine hohe Lebensdauer und hat zusätzlich den Vorteil, daß kondensierender Dampf an der Oberfläche filmförmig haftet und so Reibung und Verschleiß vermindert und die Dichtung zwischen den Kammern verbessert. Der Rotor ist bekannterweise im Hauptgehäuse exzentrisch gelagert, wodurch bei Drehung zwischen den Trennschiebern eine Volumenänderung erfolgt. Die Steuerung erfolgt über einen mit dem Gehäuse dieser Maschine verbundenen Drehschieber, der von der Rotorwelle angetrieben wird. Der Drehschieber selbst besteht aus zwei zylindrischen Enden, die zur Lagerung und Abdichtung dienen und einem freigedrehten Mittelteil, dem Dampfvorratsraum. Auf einer bestimmten Länge ragen von einem Zylinderende ausgehend in diesen Dampfvorratsraum mindestens zwei gegenüberliegende - oder eine Mehrzahl gleichverteilter - Zungen axial hinein. Entsprechend der Zungenzahl und -teilung befinden sich im Drehschiebergehäuse radiale Bohrungen auf einer Ebene, die in Überströmkanälen münden, über die bei Motorbetrieb die Einlaßzelle mit Dampf beaufschlagt wird, bzw. die umgekehrt bei Kompressorbetrieb den Auslaß darstellen. Die Zungen selbst sind auf einer Seite achsparallel, auf der anderen Seite nach oben verjüngt geformt. Der Drehschieber ist axial verschiebbar. Bei Drehung des Drehschiebers werden die radialen Gehäusebohrungen durch die achsparallelen Steuerkanten in bezug auf den Hauptrotor definiert geöffnet. Verschlossen werden diese durch die infolge der Verjüngung der Zungen schrägen Schließkanten. Durch axiales Verstellen des Schiebers werden so unterschiedliche Öffnungszeiten der Überströmkanäle erreicht.

Die axiale Verstellung des Schiebers kann mechanisch erfolgen oder pneumatisch dadurch, daß der Verlustdampf, der durch die beidseitigen Lagerstellen entweicht, vor und hinter dem Drehschieber in Gehäusehohlräumen gesammelt wird. Öffnet man nun eines der in beiden Hohlräumen angebrachten Ablaßventile, so hat der Druckabfall ein Hineinbewegen des Drehschiebers in diesen zur Folge. Damit eine stabile Regelung erfolgen kann, ist der Drehschieber in diesem Fall mit einer Dämpfung zu koppeln.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt die Flügelzellenmaschine mit Drehschiebersteuerung,

Fig. 2 den Drehschieber,

Fig. 3 die Anordnung zum Anlegen der Trennschieber.

In Fig. 1 ist der Aufbau und die Wirkungsweise der Flügelzellenmaschine mit Drehschiebersteuerung zu erkennen. Ein Maschinengehäuse 1 ist mit einem Drehschiebergehäuse 2 fest verbunden. In das Maschinengehäuse 1 ist eine Laufbuchse 3 aus Oxydkeramik eingeschrumpft. In dieser rotiert ein exzentrisch gelagerter Rotor 4 mit Trennschiebern 5. Über formschlüssige Übertragungselementen 7, 8 wird ein Drehschieber 6 von der Rotorwelle des Rotors 4 in Drehung versetzt.

Die nachfolgende Funktionsbeschreibung gilt zunächst für den Betrieb als Motor, d. h. Drehung gegen den Uhrzeigersinn. Über den Einlaß 9 gelangt unter Druck stehender Dampf in den Drehschieber 6. Eine gerade Einlaßsteuerkante 10 öffnet die Bohrung zu einem Überströmkanal 12. Durch axiales Verschieben des Drehschiebers 6 bleibt durch eine schräge Zeitsteuerkante 11 der Überströmkanal entsprechend der geforderten Leistungsentnahme lang geöffnet. Der unter Druck stehende Dampf gelangt über den Überströmkanal in die Arbeitskammer 13, wo er expandiert. Dadurch wird über den Trennschieber der Rotor in Drehung versetzt. Der entspannte Dampf wird über Bohrungen 14 in einen Auslaßkanal 15 ausgeschoben.

Als Kompressor funktioniert die Maschine - Drehung im Uhrzeigersinn - wie folgt: Über den Auslaßkanal 15 und die Bohrungen 14 wird das Medium angesaugt und in der Arbeitskammer 13 verdichtet. Entsprechend der axialen Stellung des Drehschiebers öffnet die schräge Zeitsteuerkante 11 früher oder später die Bohrung des Überströmkanals 12 und beendet demgemäß den Verdichtungsvorgang in der Arbeitskammer. Das Medium gelangt mit einem vorwählbaren Enddruck in den Drehschieberinnenraum und über den Auslaß 9 in einen Kessel o. ä.

In Fig. 2 sind die Einzelheiten des Drehschiebers dargestellt. Durch die Freidrehung im Mittelteil ergibt sich ein Vorratsraum 16 für das Arbeitsmedium, der auf der einen Seite durch das zylindrische Lagerende und auf der anderen Seite von Steuerzungen begrenzt wird. Für die Freiheit von Reaktionskräften sind jede beliebige Anzahl, jedoch mindestens zwei gleichförmige Zungen erforderlich. In dem Drehschiebergehäuse 2 sind die Bohrungen zu den Überstromkanälen so angebracht, daß diese von den Steuerzungen ganz verschlossen und durch axiales Verstellen des Drehschiebers zunehmend länger geöffnet werden können. Dabei öffnet die Einlaßsteuerkante 10 an einem definierten Punkt, der auf die Stellung der Trennschieber zum Ein-/Auslaß abgestimmt ist, während die Zeitsteuerkante 11 die Öffnungszeit und damit die zuströmende Dampfmenge beim Motor bzw. beim Kompressor das Ende der Verdichtung und damit den Enddruck regelt. Über das formschlüssige Kraftübertragungselement 8 und eine formschlüssige Welle 17 wird der Drehschieber angetrieben, der auf dieser Welle axial freibeweglich ist. Die Verstellung des Drehschiebers kann mechanisch oder durch Druckdifferenzen erfolgen. Die an den zylindrischen Lagerstellen des Drehschiebers unvermeidlichen Leckverluste führen zu einem Druckausgleich zwischen der Vorratskammer 16 und nach außen abgedichteten Ausgleichskammern 18. Wird nun auf der einen Seite ein mit einer Strömungsdrossel versehenes Ventil 19 geöffnet, so bewirkt der Druckabfall in der daruntergelegenen Ausgleichskammer, daß sich der Drehschieber in diese hineinbewegt. Um bei dieser Art der Verstellung eine stabile Regelung zu gewährleisten, wird der Drehschieber mit einem Dämpfungsglied 20 gekoppelt.

In Fig. 3 ist die Anordnung zum Anlegen der Trennschieber dargestellt. Durch eine Gehäusedeckelbohrung 21 gelangt das unter Druck stehende Arbeitsmedium zu einer Strömungsdrossel 22, wo der Druck gezielt dem erforderlichen Anpreßdruck der Trennschieber entsprechend abgebaut wird. Durch eine Bohrung 28, die so kurz wie möglich ausgeführt sein soll, strömt das im Druck reduzierte Arbeitsmedium durch eine Bohrung des Lagers 24 in den Kanal 25 in dem Wellenstummel bzw. Rotor und expandiert in einem Expansionsraum 26 unter dem Trennschieber 5 so weit, daß dieser gezielt an der Lauffläche gedrückt wird. Der Größe und Form der Bohrung im Lager 24 kommt einige Bedeutung zu, da durch eine im Verhältnis zum Kanal 25 größere Bohrung oder z. B. durch ein Langloch eine längere Durchflußzeit des Mediums und damit ein längeres Andrücken des Trennschiebers an die Laufbuchse erreicht wird. Umgekehrt bewirkt ein kleinerer Bohrungsdurchmesser eine kürzere Andruckzeit.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen erstens darin, daß eine nach dem Flügelzellenprinzip arbeitende Maschine kombiniert mit einem neuen Drehschieber in der Leistung gesteuert werden kann, ohne daß in einem Drosselorgan das Arbeitsmedium vorher entspannt wird. Das verbessert den Gesamtwirkungsgrad der Anlage. Zweitens wird durch das partielle Anlegen der Schieber mit Hilfe des Arbeitsmediums eine Beschädigung derselben durch Abheben und Hämmern vermieden und ein Überströmen von einer Arbeitskammer in die andere verhindert. Dabei sorgt die Drosselbohrung in der Zuleitung dafür, daß der Verschleiß der Trennschieber nicht durch zu heftigen Anpreßdruck ansteigt. Drittens wird durch die Materialwahl für Laufbuchse und Schieber die Ausbildung eines Kondensatfilms begünstigt, der auf Verschleiß und Abdichtung ähnlich günstige Wirkung hat wie ein Ölfilm bei ölgeschmierten Preßluftmotoren. Viertens ist die Maschine durch die radiale Anordnung der Trennschieber und die Gestaltung des Drehschiebers in beiden Drehrichtungen, also als gesteuerter Motor und als gesteuerter Kompressor, verwendbar. Fünftens wird ein in allen Richtungen reaktionskräftefreier Drehschieber geschaffen, für dessen Antrieb und Verstellung eine vernachlässigbar geringe Leistungsentnahme erforderlich ist.

Claims (4)

1. Flügelzellenmaschine für ein überwiegend gasförmiges Arbeitsmedium, umfassend einen in einer zylindrischen Laufbuchse eines Gehäuses exzentrisch angeordneten Rotor mit in radialen Schlitzen angeordneten Schiebern sowie einen von dem Rotor angetriebenen axial verstellbaren Steuerschieber zur Steuerung eines Einlaßkanals bzw. eines Auslaßkanals einer Arbeitskammer, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber als Drehschieber (6) ausgebildet ist und in einem Drehschiebergehäuse (2) drehend angetrieben wird, wobei der Drehschieber (6) von Steuerkanten (10, 11) begrenzte Steuerzungen aufweist und im Drehschiebergehäuse (2) in Anzahl und Teilung den Steuerzungen entsprechende Überströmkanäle (12) vorgesehen sind, und daß die Steuerzungen schräge Steuerkanten (11) umfassen, so daß die Dauer der Einströmzeit am Einlaßkanal bzw. der Ausströmzeit am Auslaßkanal durch die axiale Position des Drehschiebers (6) steuerbar ist.

2. Flügelzellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (6) aus zwei zylindrischen Enden besteht, zwischen denen in dem Drehschiebergehäuse (2) ein abgeschlossener Vorratsraum (16) für das Arbeitsmedium gebildet wird, in den von einem Zylinder aus eine beliebige Zahl, jedoch mindestens zwei von Steuerkanten (10, 11) begrenzte dünnwandige Steuerzungen in gleicher Teilung hineinragen, die eine gleiche Anzahl von Überströmkanälen (12) in einem Querschnitt des Drehschiebergehäuses (2) öffnen und schließen, so daß der Drehschieber (6) von Reaktionskräften, die sich aus dem Druck des Arbeitsmediums bzw. den Druckdifferenzen beim Öffnen und Schließen der Ein- und Auslaßkanäle ergeben, frei ist.

3. Flügelzellenmaschine nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schieber (5) im Rotor (4) über interne Kanäle (23, 24, 25) durch das Arbeitsmedium mit Druck beaufschlagt werden und somit im kritischen Bereich das Abheben der Schieber (5) von der Laufbuchse (3) verhindert und der Anpreßdruck der Schieber (5) durch eine Strömungsdrossel (22) geregelt wird.

4. Flügelzellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Verstellung des Drehschiebers (6) durch Druckdifferenzen in Ausgleichskammern (18) des Drehschiebergehäuse (2) bewirkt wird, wobei die Druckdifferenzen durch Öffnen bzw. Schließen eines Ventils (19) hervorgerufen werden und der Drehschieber (6) zur Stabilisierung der axialen Bewegung mit einer Dämpfungseinrichtung (20) ausgestattet ist.