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Freiflugkolbenmaschine mit mehrstufigem Verdichter Bei Freiflugkolbenmaschinen
mit gegenläufigen Massen ist es bekannt, diese Massen zwecks Sicherung der genauen
Gegenläufigkeit durch ein Kupplungsgetriebe, z. B. aus Zahnstangen und dazwischengeschalteten
Zahnrädern bestehend, zwangsläufig miteinander zu verbinden. Um das Kupplungsgetriebe
so leicht wie möglich halten zu können, soll dasselbe von Krafteinwirkungen sowie
auch von der Übertragung mechanischer Arbeit von der einen Maschinenseite zur anderen
nach Möglichkeit entlastet sein. Bei mehrstufigen Freiflugkolbenverdichtern hat
man deshalb vorgeschlagen, beide Maschinenseiten spiegelbildlich gleich auszubilden,
also beispielsweise bei einem dreistufigen Verdichter auf jeder Maschinenseite eine
erste, zweite und dritte Stufe, mithin insgesamt sechs Stufen anzuordnen. Eine solche
Maschine wird dadurch naturgemäß außerordentlich lang, also raumversperrend und
vielteilig. Auch die zur Beschaffung der notwendigen Motorspülluft dienende Spülpumpe
muß dann zweiteilig, je ein Teil auf jeder Maschinenseite, ausgeführt werden, damit
ihr Leistungsbedarf nicht einseitig abgenommen wird. Verzichtet man auf den spiegelbildlich
seitengleichen Aufbau der Maschine, indem beispielsweise die Spülpumpe einseitig
angeordnet wird oder indem man auf den beiden Maschinenseiten eine ungleiche Zahl
von Verdichterstufen vorsieht, so muß das Kupplungsgetriebe auf dem Arbeitshub und
auf dem Rückhub einen mehr oder weniger großen Arbeitsbetrag von der einen Maschinenseite
zur anderen übertragen, es muß demzufolge kräftiger und schwerer ausgeführt werden
als bei vollkommen symmetrisch gebauten Maschinen. Dadurch wird aber das Gewicht
der frei schwingenden Massen in unerwünschter Weise erhöht, die Herstellung der
Maschine verteuert und auch infolge der erhöhten Reibungsverluste im Kupplungsgetriebe
der Wirkungsgrad der Maschine herabgesetzt.
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Die Erfindung soll die Aufgabe lösen, bei Freiflugkolbenverdichtern
mit drei oder mehr Stufen und gegenläufigen Massen, aber mit nicht spiegelbildlich
gleicher Ausgestaltung und Anordnung der auf beiden Maschinenseiten (also außer
dem Motorarbeitsraum) vorzusehenden Hubräume das Kupplungsgetriebe von der Beanspruchung
durch eins ei itige Überschußkräfte und von der Übertragung nennenswerter Arbeitsbeträge
von einer Maschinenseite auf die andere zu entlasten und damit die Vorteile der
völlig symmetrisch gebauten Maschine zu erzielen, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen
zu müssen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst,
daß die in den einzelnen Hubräumen herrschenden Druckverhältnisse oder die Volumenverhältnisse
oder beide anders gewählt werden als beim üblichen Mehrstufenverdichter, bei dem
die je Arbeitsspiel (Hin- und Rückhub) verfügbare Nutzarbeit auf die einzelnen Stufen
gleichmäßig verteilt wird. Sonach ändern sich auch gegenüber dem üblichen Mehrstufenverdichter
die in den einzelnen Hubräumen aufgenommenen bzw. abgegebenen Arbeitsbeträge. Die
Bemessung der Druck- bzw. Volumenverhältnisse in den genannten Hubräumen soll so
erfolgen, daß die auf den beiden Maschinenseiten auf diese Räume entfallenden Arbeitssummen
und Kolbenkräfte sowohl auf dem Arbeitshub wie auf dem Rückhub einander möglichst
gleich werden.
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Die näheren Einzelheiten der Erfindung, Maßnahmen zu ihrem weiteren
Ausbau undein Beispiel der praktischen Ausgestaltung sollen im folgenden unter Zuhilfenahme
der Zeichnung erläutert werden.
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Die Abb. i bis 3 zeigen Druckvoluinendiagramme einer Verdichterstufe
und sollen die Möglichkeiten der Änderung der Arbeitsaufnahme dieser Verdichterstufe
beim Arbeitshub bzw. der Arbeitsabgabe beim Rückhub veranschaulichen.
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Abb. 4. zeigt das Schema einer Freiflugkolbenmaschine nach der Erfindung.
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In dem Diagramm nach Abb. i stellt die Linie B-C die Verdichtung des
angesaugten Gases vom Druck p1 auf den Druck p2, die Linie C-E das Ausschieben des
verdichteten Gases dar; die hierbei an die Verdichterstufe abgegebene Arbeit wird
durch die zwischen diesen Linien und der Linie p = o liegende Fläche A B C E
F A dargestellt. Die im Totraumvolumen vT enthaltene Gasmenge ist dabei ebenfalls
auf den Druck p. verdichtet, in ihr ist ein Teil der während des Arbeitshubes an
die Verdichterstufe abgegebenen Arbeit aufgespeichert, welche nach Kolbenumkehr
auf dem Rückhub nunmehr an das frei schwingende Massensystem und weiter an die Motorladung
des Energieerzeugers zum Zwecke ihrer Verdichtung abgegeben wird. Es findet demnach
auf dem Rückhub eine arbeitabgehende Expansion vom Druck p= auf den Druck p1 nach
Linie E- G und danach bei dem Ansaugdruck pt ein Ansaugen einer treuen Gasmenge
nach Linie G-B statt; die während des Rückhubes an den #_erdichterkolben abgegebene
Arbeit ist durch die Fläche E F A B G E gekennzeichnet. Die mit dem aus der
Verdichterstufe ausgeschobenen Gas nach außen abgeführt, Arbeit wird durch die Differenzfläche
B C F_ G B
dargestellt. Die Größe der während des Arbeitshubes bzw. des Rückhubes
geleisteten Arbeiten, also die Größe der Flächen A B C E F A bzw.
E F A B G E, ist eine Funktion des Druckverhältnisses
und des Volumenverhältnisses
Vergrößert man beispielsweise das Volumenverhältnis
indem man gemäß Abb. 2 den Zusatztotraum v'T hinzuschaltet, so erhält man ein neues
Diagramm B C E G' B. Das ursprüngliche Diagramm B C E G B nach
Abb. i ist in Abb. 2 gestrichelt eingezeichnet. Man ersieht daraus, daß die während
des Arbeitshubes an die Verdichterstufe abgegebene Arbeit um die Diagrammfläche
B C C' B kleiner geworden, dagegen die gespeicherte und auf dem Rückhub wieder
abgegebene Arbeit um die Fläche E G G' E gewachsen ist: die nach außen abgeführte
Arbeit B C' E G' B ist demnach gegenüber der DiagrammflächeB C E
G B
der Abb. i um diese Flächen verkleinert.
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Im Diagramm nach Abb.3 ist gegenüber dem gestrichelt gezeichneten
ursprünglichen Diagramm B C E G B der Abb. i das Druckverhältnis erhöht worden
auf
während das Voluinetiverhältnis
das gleiche geblieben ist. Hierdurch ist die Arbeitsleistung auf dem Arbeitshub
um die Fläche C C" E" E C größer geworden, und auch die Expansionsarbeit
im ersten Teil des Rückhubes ist um die Fläche E" E G G" E" angewachsen.
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Man sieht hieraus, daß es möglich ist, durch Wahl der Druck- und Volumenverhältnisse
die von einer Verdichterstufe beim Arbeitshub aufgenommenen und beim Rückhub abgegebenen
-Arbeitsbeträge und damit auch die Differenz beider in weiten Grenzen zu verändern.
Von dieser Möglichkeit tvird erfindungsgemäß Gebrauch gemacht, um auch bei nicht
beiderseits spiegelbildlich gleich gestalteten Freiflugkolbenverdichtern sowohl
beim Arbeitshub als beim Rückhub je möglichst gleich große Arbeitsbeträge auf beiden
Maschinenseiten zur Wirkung zu bringen und so das -den Gleichlauf der Flugmasse
erzwingende Kupplungsgetriebe von Arbeitsübertragung zu entlasten, abgesehen vielleicht
vom Antrieb von Hilfsaggregaten, wie Brennstoff-oder Kühlwasserpumpen, deren Arbeitsbedarf
verhältnismäßig sehr gering ist.
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Würde man beispielsweise bei einem dreistufigen Freiflugkolbenverdichter
drei un-I;leich auf beide Maschinenseiten verteilte Verdichterräume vorsehen und,
wie es sonst
im Verdichterbau allgemein üblich ist, den Gesamtarbeitsbedarf
auf diese Stufen gleichmäßig verteilen, also in allen Stufen.gleiche Druck- und
Volumenverhältnisse vorsehen, so würden auf der einen Seite 2/3, auf der anderen
Seite 1/3 der G_ esamtarbeit aufgenommen, während % der Gesamtarbeit durch das Kupplungsgetriebe
von der einen Seite auf die andere übertragen werden müßte. Wählt man dagegen erfindungsgemäß
die Druckverhältnisse in den beiden Stufen, die gemeinsam auf der einen Maschinenseite
angeordnet sind, kleiner als das Druckverhältnis der anderen Stufe, die allein auf
der anderen Maschinenseite liegt, so kann man die verfügbare Arbeit gleichmäßig
auf beide Maschinenseiten verteilen. Man erzielt so bei einfachem Aufbau der Maschine
(mit einer Mindestzahl von Hubräumen) ein entlastetes, also leichtes Getriebe und
eine Erhöhung der Gesamtwirtschaftlichkeit durch Wegfall der Übertragungsverluste.
An Stelle oder neben der Änderung des Druckverhältnisses kann auch das Volumenverhältnis
der einzelnen Stufen (und zwar im gleichen Sinne wie für das Druckverhältnis. angegeben)
verändert werden. Allerdings bedingt diese Maßnahme eine Verkleinerung der Ansaugestrecke
G-B (Abb. i) auf die Größe G'B (Abb. a) und damit der je Rückhub vom Kolben
angesaugten Gasmenge dieser Stufe. Diese Verringerung der Ansaugestrecke kann man
jedoch leicht durch eine entsprechende Vergrößerung des Kolbendurchmessers ausgleichen,
eine Maßnahme, die wiederum in anderer Hinsicht von Vorteil werden kann. Denn es
ist für die Getriebeentlastung nicht allein wichtig, die von einer Maschinenseite
auf die andere zu übertragende Arbeit auf ein Minimum zu reduzieren, sondern es
soll auch die Differenz der Kolbenkräfte beider Seiten in allen Kolbenstellungen
möglichst gering sein, Erfahrungsgemäß wird diese Differenz am Ende des Arbeitshubes
am größten. Da nun die Kolbenkraft gleich dem Produkt spezifischer Druck (p1 bzw.
p2) mal Kolbenfläche ist, so ist es zweckmäßig, die Kolbenfläche der Stufen auf
der Maschinenseite mit geringer Stufenzahl möglichst groß zu wählen.
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Die Größe der Kolbenkräfte am Arbeitshabende kann weiterhin in gewissen
Grenzen durch Beeinflussung des Druckes p2 geregelt werden, indem man die nur für
einen unendlich- großen Aufnehmer gültige waagerechte Ausschublinie 'C-E (Abb. i)
durch entsprechende Größenbemessungen des Aufnehmers, in welchen das Gas aasgeschoben
wird, mehr oder weniger steil- etwa nach Linie C-1( ansteigen läßt, so daß ein höherer
Enddruck P2" erreicht wird.
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Manchmal ist -es: sogar erwünscht, die Kolbenfläche einer Stufe noch
mehr zu vergrößern, als es durch die Vergrößerung des Volumenverhältnisses erreichbar
ist. Hierdurch würde allerdings das nutzbare Hubvolumen der betr. Stufe, da der
für alle Stufen gleich große Kolbenhub festliegt, zu groß werden, die Arbeitsaufnahme
würde zu hoch -ansteigen und die gleichmäßige Arbeitsverteilung beider Maschinenseiten
wiederum gestört werden. Um dies zu vermeiden, wird empfohlen, aus einer oder mehreren
Stufen zu Beginn des Arbeitshubes einen Teil des angesaugten Gasvolumens in an sich
bekannter Weise wieder auszuschieben, so daß also z. B. in Abb. i der den Verdichtungsbeginn
bezeichnende Punkt B auf der Linie B-G nach links verschoben würde.
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Wird ein solches Wiederausschieben bei einer Niederdruckstufe eines
Luftverdichters vorgesehen, so kann in ebenfalls bekannter Weise die wieder aasgeschobene
Luftmenge als Zusatz zu der von einer Spülluftpumpe geförderten Spülluft verwendet
werden. Die Spülluftpumpe kann dabei durch die Rückseite eines oder mehrerer Verdichterkolben
gebildet werden. Es ist natürlich auch möglich, für die Spülluftbeschaffung eine
besondere Kolbenpumpe vorzusehen, die dann so anzuordnen ist, daß ihr Arbeitsbedarf
zum Ausgleich der Summen der sich für beide Maschinenseiten ergebenden Arbeitsbeträge
mit herangezogen werden kann.
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Haben einzelne Verdichterstufen einen größeren Durchmesser als- der
Motor, so entsteht auf der Verdichterkolbenrückseite eine Differenzfläche gleich
der Verdichterkolbenfläche, vermindert um die Motorkolbenfläche. Man kann nun diese
Differenzfläche ebenfalls als wirksame Kolbenfläche ausnutzen, etwa als Spülpumpenkolben,
als Kolben einer Verdichterstufe oder eines arbeitaufnehmenden und nach Kolbenumkehr
wieder abgebenden Energiespeichers. Immer sind selbstverständlich die Druck- und
Volumenverhältnisse auch dieser Hubräume so zu wählen, daß die hier wirksamen Arbeitsbeträge
zusammen mit denen der übrigen Verdichterstufen beim Arbeitshub und beim Rückhub
für beide Maschinenseiten gleiche Arbeitssummen ergeben. Ebenso sind Energiespeicher,
welche, ohne Arbeit nach außen abzuführen, Arbeit auf dem. Arbeitshub aufspeichern
und diese auf dem Rückhub wieder abgeben, hinsichtlich ihrer Druck- und Volumenverhältnisse
sinngemäß im Hinblick auf einen gesamten Energieausgleich beider Maschinenseiten
zu bemessen.
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Die Erfindung läßt- sich bei allen Freiflugkolbenmaschinen mit mehrstufigen
Energieabnehmern und nicht spiegelbildlich gleicher Anordnung der Stufen auf beiden
Seiten. anwenden, beispielsweise bei einem dreistufigen
Verdichter
mit zwei Stufen auf einer Seite und einer Stufe auf der anderen Maschinenseite;
aber auch bei Verdichtern mit gerider Stufenzahl mit mehr als drei Stufen ist die
Erfindung mit Vorteil anwendbar, da es ja bei der Freiflugkolbenmaschine auf den
Ausgleich der je Hub auf beiden Seiten wirksamen Arbeitsbeträge ankommt, also nicht
auf gleiche Flächen der beim Hin- und Rückhub umschriebenen Diagramme (Nutzarbeitsfläche)
jeder Stufe, sondern auf gleiche Stimmen derjenigen Diagrammflächen beider Maschinenseiten,
die jeweils zwischen der Linie veränderlichen Druckes und der Linie p = o liegen;
diese Diagrammflächen können aber bei gleicher Verteilung der @TUtzarbeitsflächen
sehr verschieden groß sein, so daß auch hier ein Ausgleich gemäß der Erfindung erhebliche
Vorteile bietet.
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Abb.4 veranschaulicht an dem Beispiel eines dreistufigen Freiflugkolbenverdichters
die wesentlichen Erfindungsmerkmale.
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In dem Motorzylinder i bewegen sich die beiden Motorkolben 2, 3 gegenläufig,
wobei der Kolben 2 die Spülschlitze q. und Kolben 3 die Auspuffschlitze 5 steuert.
Der Motorkolben 2 ist mittels seiner Verlängerung 6 mit dem Verdichterkolben 8 der
ersten Verdichterstufe (Arbeitsraum 9) und mit dem Kolben ? i der dritten Stufe
(Arbeitsraum 22) starr verbunden; der Motorkolben 3 ist über seine Verlängerung
7 mit dem Kolben io der zweiten Stufe (Arbeitsraum i i) fest verbunden. Die beiden
so gebildeten Flugmassen 2, 6, 8, 21 und 3, 7, io sind mittels zweier Zahnstangenpaare
12, 12' und mit diesen im Eingriff stehenden, am Gehäuse des Motorzylinders gelagerten
Zwischenzahnrädern 13 zu genau gegenläufiger Bewegung miteinander gekuppelt. Die
erste Verdichterstufe 9 saugt das zu fördernde Gas durch die Saugventile 1.4 an
und fördert es über die Druckventile 15 in den Aufnehmer 16, von dort tritt es durch
die Saugventile 17 in die zweite Stufe i i, wird von dieser über die Druckventile
18 in den Aufnehmer i9 gefördert und von dort über das Saugventil2o der dritten
Stufe22 zugeführt, um schließlich über das Druckventil 23 in die Verbrauchsleitung
einzutreten.
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Das Druck- und Volumenverhältnis der zweiten Verdichterstufe i i ist
in diesem Falle größer gewählt als bei den beiden anderen Stufen, um die Arbeitsbeträge
beider Seiten auf dem Arbeitshub und auf dem Rückhub einander anzugleichen. Um auch
die Kolbenkräfte, insbesondere am Ende des Arbeitshubes, auf beiden Seiten möglichst
gleich groß zu bekommen, muß der Durchmesser des Kolbens lo der zweiten Stufe verhältnismäßig
sehr groß gewählt werden; damit nun diese Stufe wiederum infolge des so entstandenen
großen Arbeitsvolumens nicht eine zu große Arbeitsaufnahme aufweist, wird ein Teil
des angesaugten Gases wieder ausgeschoben. Zu diesem Zwecke sind im Zylindermantel
dieser zweiten Stufe Druckventile 24 vorgesehen, über welche zu Beginn des Arbeitshubes
ein Teil des durch die Ventile 17 angesaugten Gases in den Aufnehmer 16 zurückgeschoben
-wird, so lange, bis der Kolben io die Ventile 2d. überschritten hat. Auch bei der
ersten Verdichterstufe sind solche Ausschubventile 25 vorgesehen; die durch diese
Ventile 25 wieder ausgeschobene Luft dient als Zusatz zu der von der Spülpumpe geförderten
Spülluft und «wird durch eine Leitung 26 nach dem als Spülluftaufnehmer dienenden
Motorgehäuse 33 gefördert. Als Spülpumpe dient beispielsweise der der Maschinenmitte
zugekehrte, an die Rückseite des Kolbens 8 angrenzende und durch eine Wand 29 abgeschlossene
Raum 3o des Zylinders der ersten Verdichterstufe, der mit Saugventilen 27 und Druckventilen
28 versehen ist. Diese Spülpumpe saugt Luft beim Arbeitshub an und fördert sie beine
Rückhub in den Spülluftaufnehmer 33. Dem auf diese Spülpumpe entfallenden Arbeitsbetrag
kann zur Entlastung des Kupplungsgetriebes ein entsprechender, vom Kolben io der
zweiten Stufe bei seinem Rückhub zu leistender Arbeitsbetrag gegenübergestellt werden.
Zu dem Zweck wird beispielsweise der der Maschinenmitte zugekehrte Raum 32 der zweiten
Stufe durch eine Wand 31 abgeschlossen und so als Puffer ausgebildet, in dem beim
Rückhub eine Verdichtung stattfindet. EinteilweiserAusgleichfindet auch schon dann
statt, wenn dieser Raum 32 mit der Atmosphäre in Verbindung steht, da dann beim
Rückhub der Gegendruck der Atmosphäre zu überwinden ist. Die Druck- und Volumenverhältnisse
in den drei Verdichterstufen 9, 11, 22 und in den rückseitigen Hubräumen 30, 32
sind also so gewählt, daß sowohl beim Arbeitshub als' auch beim Rückhub die zur
Wirkung kommenden Arbeitsbeträge beider Seiten einander angenähert gleich sind .und
das Kupplungsgetriebe demzufolge in weitgehendem Maße entlastet ist.