DE4135594A1

DE4135594A1 - Zellenradschleuse

Info

Publication number: DE4135594A1
Application number: DE19914135594
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 7962 Wolfegg De Bercx
Original assignee: Avt Anlagen- und Verfahrenstechnik 7987 Weingarten De GmbH
Current assignee: Avt Anlagen- und Verfahrenstechnik 7987 Weingarten De GmbH
Priority date: 1991-10-29
Filing date: 1991-10-29
Publication date: 1993-05-06

Description

Die Erfindung betrifft eine Zellenradschleuse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Schüttgüter können mit Hilfe allgemein bekannter Zellenradschleusen aus einem Silo in einen Raum gleich hohen, höheren oder niedrigeren Druckes bis zu einem Differenzdruck von ca. 3,5 bar dosiert ausgetragen werden. Dabei werden die zwischen den radialen Schaufeln eines um eine horizontale Achse in einem zylindrischen Gehäuse drehenden Rotors gebildeten Taschen an der Oberseite mit Schüttgut gefüllt und nach einer Drehung um ca. 180° an der Unterseite entleert (z. B. US-PS 37 97 890; Fig. 2). Sofern zwischen dem oberen Schüttgutzulauf, z. B. aus einem Silo, und dem unteren Schüttgutauslauf in eine Förderleitung ein wesentlicher Druckunterschied besteht, wirkt sich dieser als Druckbelastung auf das Zellenrad aus. Beispielsweise kann der untere Schüttgutauslauf mit einer Förderleitung mit einem Bar Überdruck verbunden sein. Bei einer Zellenradschleuse in der Größe von beispielsweise Länge·Breite = 500·500 mm tritt dann eine Belastung auf die Rotorwelle von z. B. 25 KN auf. Diese von unten auf die horizontale Rotorwelle wirkende Kraft bewirkt eine Belastung auf die seitlichen Lager und eine Durchbiegung der Rotorwelle. Aufgrund der vorhandenen Durchbiegung der Rotorwelle muß jedoch auch das Spiel des Zellenrades im Zellenradgehäuse entsprechend groß ausgeführt werden, was zu einem starken Druckverlust aufgrund der Leckluft von unten nach oben führt. Der Spalt zwischen dem Zellenrad und dem Zellenradgehäuse soll jedoch möglichst klein gehalten werden, um möglichst wenig Leckluft zuzulassen. Mit zunehmender Größe der Zellenradschleuse sowie durch Druckbelastung, Erwärmung, Materialunterschiede und nicht zuletzt durch Fertigungsungenauigkeiten können sehr kleine Spalte in der Größenordnung von 1/10 mm nur schwer eingehalten werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen und insbesondere eine Zellenradschleuse zu schaffen, die auch bei größerer Bauart und höheren Druckunterschieden zwischen Schüttgutzulauf und Schüttgutauslauf möglichst geringe Spalte erlaubt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Zellenradschleuse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zellenradschleuse hat gegenüber bekannten Zellenradschleusen den Vorteil, daß der Spalt zwischen Zellenrad und Zellenradgehäuse sehr klein gehalten werden kann. Hierdurch können auch die Leckluftverluste außerordentlich klein und damit der Wirkungsgrad sehr hoch gehalten werden. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Durchbiegung der Rotorwelle aufgrund der Druckunterschiede kompensierbar ist. Dies geschieht im wesentlichen dadurch, daß auf die Rotorwelle ein Gegenmoment aufgebracht wird, welches die Durchbiegung der Rotorwelle aufgrund der Druckbelastung weitgehend kompensiert.

Um, z. B. statt eines festen, ein variables Gegenmoment auf die Rotorwelle und damit einen Ausgleich auf unterschiedliche Durchbiegungen zu ermöglichen, werden zwei zusätzliche Abstützlager für die Rotorwelle derart ausgebildet, daß sie in ihrer Lage radial verschiebbar sind und damit die Rotorwelle an ihren beiden Enden unterschiedlich stark auslenkbar ist. Hierdurch kann das Maß des Gegenmomentes variiert und insbesondere den Druckverhältnissen in der Zellenradschleuse angepaßt werden. Die radiale Verschiebung jedes Abstützlagers kann zweckmäßigerweise durch eine Kolbenzylindereinheit erfolgen, deren Druckbeaufschlagung in einer direkten Abhängigkeit vom Differenzdrucks an der Zellenradschleuse und der damit verbundenen Durchbiegung der Rotorwelle steht.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Zellenradschleuse mit zusätzlichen seitlichen Abstützlagern,

Fig. 2 eine Zellenradschleuse nach dem Stand der Technik und

Fig. 3 ein Belastungsschema mit Biegemomentenverlauf.

In Fig. 2 ist eine Zellenradschleuse nach dem Stand der Technik zur Erläuterung der Erfindung dargestellt. Dabei zeigt die obere Fig. 2a einen Längsschnitt durch eine bekannte Zellenradschleuse. Die darunterliegende Fig. 2b zeigt eine schematische Darstellung der Belastung der Rotorwelle und Fig. 2c eine schematische Darstellung der Durchbiegung der Rotorwelle. In den Fig. 1a bis 1c ist die gleiche Darstellung für die erfindungsgemäße Zellenradschleuse gezeigt.

Die bekannte Zellenradschleuse nach Fig. 2a sowie die erfindungsgemäße Zellenradschleuse gemäß Fig. 1a haben folgende Merkmale gemeinsam:

Die Zellenradschleuse 1 besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 2 mit einem sich darin befindenden Zellenrad oder Rotor 3 mit horizontaler Rotorwelle 4. Auf der Rotorwelle 4 sind radiale Schaufeln 5 angeordnet, die die Kammern für das Schüttgut bilden. Im oberen Bereich der Zellenradschleuse 1 befindet sich ein Schüttgutzulauf 6, im unteren Bereich ein Schüttgutauslauf 7. Der Schüttgutzulauf 6 kann mit einem darüber angedeuteten Silo 8 für Schüttgut verbunden sein. Der Schüttgutauslauf 7 ist beispielsweise mit einer Förderleitung 9 verbunden, für das aus der Zellenradschleuse auszutragende Schüttgut.

Die horizontale Rotorwelle 4 ist in seitlich im Gehäuse eingebrachte Wälzlager 10, 11 gelagert. Der Rotor 3, auch Zellenrad 3 genannt, ist über Dichtungen 12 gegenüber den Lagern 10, 11 abgedichtet.

Die Belastung des Zellenrades 3 und damit auch der Rotorwelle 4 wird entscheidend durch die Druckdifferenz Δp zwischen dem Druck p₁ im oberen Silo 8 und dem Druck p₂ in der unteren Förderleitung 9 bestimmt. Liegt der Förderdruck p₂ z. B. um ein Bar höher als der Umgebungsdruck p₁ im Silo 8, so kann die Druckbelastung auf den Rotor 3 schon beachtliche Werte erreichen. Bei einer Zellenradschleuse von beispielsweise Länge·Breite = 500·500 mm, d. h. einer Belastungsfläche von 2.500 cm², ergibt dies eine resultierende Kraft F₁ von z. B. 25 KN. In Fig. 2b ist ein solches schematisches Belastungsdiagramm auf die Rotorwelle 4 dargestellt. Der Druck p₂ bewirkt vereinfacht betrachtet eine resultierende Gesamtkraft F₁ in der Mitte der Rotorwelle 4, die durch die Gegenkräfte L₁ und L₂ in den Lagern 10, 11 kompensiert wird. Da die Rotorwelle 4 in den Lagern 10, 11 nicht fest eingespannt ist, biegt sie sich über ihre Länge nach bekannten Gesetzmäßigkeiten durch. In ihrer Mitte erreicht die Durchbiegung den maximalen Betrag s₁ gegenüber der Mittellinie 13 bei nicht belasteter Welle. Diese Durchbiegung der Rotorwelle 4 hat beim Stand der Technik zur Folge, daß um ein Streifen des Zellenrades im Schleusengehäuse zu vermeiden, große Spaltmaße zwischen Zellenrad und Schleusengehäuse in Kauf genommen werden müssen. Dies gilt insbesondere für größere Schleusen und höhere Druckdifferenzen Δp = p₂-p₁.

Für die Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips der Kompensation der Rotordurchbiegung werden folgende Vereinfachungen getroffen:

- Es wirken nur Einzelkräfte in einer Ebene,
- der Rotorquerschnitt sei über die gesamte Länge gleichbleibend, d. h. I = konst. (I[cm⁴]= Trägheitsmoment).

Bei der herkömmlichen Zellenradschleuse wirkt gemäß Fig. 2b die Kraft F auf die Mitte der Rotorwelle. Im Abstand von jeweils a₁ befinden sich die Auflager 10 und 11. Die Auflagerkräfte betragen dann

Gemäß der Biegelinie Fig. 2c bewirkt die Kraft F die Durchbiegung s₁, in der Mitte der Rotorwelle.

Für diesen Belastungsfall beträgt die Durchbiegung in der Mitte

Bei der vorliegenden Erfindung stellt sich nun die Frage, welche Kompensationskräfte K₁ und K₂ müssen in den beiden Zusatzlagern 20 in den jeweiligen Abständen a₂ vom Hauptlager 10, 11 aufgebracht werden, um diese Durchbiegung s gerade rückgängig zu machen. Hierzu ergibt sich aus den Belastungsschemen nach Fig. 1b bis 1e folgender Kräfte- und Biegelinienverlauf:

Kompensationskraft: K₁=K₂=K (3) (Fig. 1b, 1c)

Für diesen Belastungsfall beträgt die (entgegengesetzte) Durchbiegung in der Mitte

wobei
E[N/cm²]: E-Modul
I[cm⁴]: äquatoriales Flächenträgheitsmoment.

Setzt man nun

s₃=s₁-s₂=0 (5)
(Gleichung (2)=Gleichung (4)),

so ergibt sich durch Kürzung und Umstellung

Die Auflagerkräfte erhöhen sich jetzt auf

Fig. 1b zeigt nunmehr das erfindungsgemäße vollständige Belastungsschema und Fig. 1e die sich ergebende Biegelinie mit der Durchbiegung S₃ ≈ 0.

Auf diese Weise kann man das Spiel des Zellenrades 3 innerhalb des zylindrischen Gehäuses 2 auf minimale Werte verringern, wodurch auch die Leckluft zwischen dem Schüttgutauslauf und dem Schüttgutzulauf auf ein Minimum reduziert werden kann.

In Fig. 3 sind die zu den Kräften zugehörigen Biegemomente dargestellt. Dafür zeigt

Fig. 3a den Biegemomentenverlauf M₁ bei einer Belastung gemäß Darstellung nach Fig. 2b bzw. der Biegelinie nach Fig. 2c,

Fig. 3b den Biegemomentenverlauf M₂ bei einer Belastung gemäß Darstellung nach Fig. 1c bzw. der Biegelinie nach Fig. 1c und

Fig. 3c den überlagerten Biegemomentenverlauf M₃ bei einer Belastung gemäß Darstellung nach Fig. 1b und einem Biegelinienverlauf nach Fig. 1e.

Um das Kompensationsbiegemoment M₂ zu erzeugen, sind die nach außen versetzten Abstützlager 14, 15 als bezüglich der Rotorwelle 4 radial verschiebbare Lager ausgebildet. Hierfür ist an das zylindrische Gehäuse 2 über einen Übergangsflansch 15 ein weiteres Lagergehäuse 17 an die Zellenradschleuse 1 angeflanscht, wobei das Lagergehäuse 17 als Vertikalführungslager einen inneren Raum 18 aufweist, in welchem ein Befestigungsgehäuse 19 für die Lager 20 auf und ab beweglich gelagert ist. Zu dieser, bezüglich der Rotorwelle 4 radialen Verschiebung, d. h. Vertikalverschiebung des Befestigungsgehäuses 19 innerhalb des Raumes 18 im Lagergehäuse 17, ist eine Kolbenzylindereinheit 21 vorgesehen, deren Kolben 22 über eine Kolbenstange 23 das Befestigungsgehäuse 19 mit einer Kraft K₁, K₂ beaufschlagt. Hierfür wird der Zylinderraum 24 der Kolbenzylindereinheit 21 mit Druckmedium über eine Druckleitung 25 beaufschlagt. Der Druck p₃ im Zylinderraum 24 kann dem Druck p₂ in der Förderleitung 9 entsprechen. Das richtige Biegemoment M₂ wird durch das Übersetzungsverhältnis in der Kolbenzylindereinheit 21 bzw. über die Hebelwirkung der Kräfte K₁, K₂ mit den Hebelarmen a₂ bewirkt. Zur von p₂ abhängigen richtigen Einstellung des Druckes p₃ zur Kompensierung der Momente kann jedoch auch ein Druckverstärker 26 in die Druckleitung 25 eingesetzt sein, der den Schüttgutauslauf 7 mit der Kolbenzylindereinheit 21 verbindet.

Die Biegemomentenbetrachtung nach Fig. 3a bis 3c ist wie folgt:

In den Auflagern 10, 11 beträgt das Biegemoment aufgrund der Kräfte K₁ = K₂= K

M₂ = K×a₂ (Fig. 3b)

In der Rotormitte beträgt das Biegemoment aufgrund der Kräfte

aus M₃ = M₁+M₂ folgt:

M₃ = K×(a₁+a₂)-L₁′×a₁

Das durch die beiden Kräfte K₁ und K₂ über die Hebelarme a₂ an beiden Rotorenden eingeleitete Kompensationsbiegemoment hebt somit die ursprünglich vorhandene Durchbiegung unter der Kraft F wieder auf. Nachteilig ist, daß sich hierbei allerdings die Belastung in den Auflagern 10, 11 erhöht.

Wie zu Beginn angemerkt, wurde der Anschaulichkeit halber das Problem stark vereinfacht dargestellt. In der Realität weist der Rotor mehrere Querschnittssprünge auf und es wirken außerdem neben Einzelkräften auch Streckenlasten.

Diese Gegebenheiten erfordern einen höheren Rechenaufwand nach den an sich bekannten Rechenmethoden. Die grundsätzliche Problemstellung bleibt jedoch hiervon unberührt.

Es ist als Variante auch möglich, die Wälzlager 20 in den Abstützlagern 14, 15 bereits im Ruhezustand so vorzuspannen, beispielsweise durch Doppel-Excenterbuchsen, daß am Schüttgutauslauf das geringstzulässige Spiel erreicht wird.

Im Betriebszustand, wenn Δ_p wirkt, stellt sich dann eine mittlere Lage des Rotors ein.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfaßt auch vielmehr alle fachmännischen Weiterbildungen und Ausgestaltungen im Rahmen des erfindungsgemäßen Gedankens.

Claims

1. Zellenradschleuse zum Dosieren von Schüttgut, bestehend aus einem, in einem zylindrischen Gehäuse seitlich gelagerten, mit horizontaler Achse sich drehenden Rotor, der, zur Bildung von Schüttgutkammern, im Rotorgehäuse mit geringem Spiel zum Gehäuse umlaufende, radiale Schaufeln aufweist, mit einem oberen Schüttgutzulauf und einem unteren Schüttgutauslauf, wobei zwischen Schüttgutauslauf und Schüttgutzulauf eine Druckdifferenz vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensierung einer Wellendurchbiegung "s" die Rotorwelle (4) beidseitig über die beiden seitlichen Lagerstellen (10, 11) axial verlängert ist, wobei dem jeweiligen äußeren Wellenabschnitt (4′) ein die Wellendurchbiegung kompensierendes Gegenmoment (M₂) überlagert wird.

2. Zellenradschleuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Abstand a₂ jedes seitlichen Lagers (10, 11) ein weiteres Axial-Abstützlager (14, 15) vorgesehen ist, über welches die Rotorwelle (4) mit einem Gegenmoment beaufschlagbar ist.

3. Zellenradschleuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden außenliegenden Axial- Abstützlager (14, 15) als radial verschiebbare Wälzlager (20) ausgebildet sind.

4. Zellenradschleuse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlager (20) in einem radial in einem Raum (18) verschiebbaren Wälzlagergehäuse (19) angeordnet sind, und daß der Raum (18) in einem Lagergehäuse (17) angeordnet ist.

5. Zellenradschleuse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützlager (14, 15) Wälzlager (20) aufweisen, die in einer Vertikalführung in Lagergehäuse (17, 19) angeordnet sind, wobei je eine Kolbenzylindereinheit (21) zur vertikalen Verschiebung des Wälzlagers (20) vorgesehen ist.

6. Zellenradschleuse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbeaufschlagung der Kolbenzylindereinheit (21) zur Erzeugung eines auf die Rotorwelle (4) gegenläufigen Biegemoments M₂ in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen dem Schüttgutauslauf (7) und dem Schüttgutzulauf (6) erfolgt.

7. Zellenradschleuse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlager (20) in den Abstützlagern (14, 15) im Ruhezustand derart vorgespannt sind, daß am Schüttgutauslauf ein geringstzulässiges Spiel einstellbar ist.