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Mehrstufiger Kolbenverdichter mit stufenloser Liefermengenregelung
durch synchron zugeschaltete Zuschalträume in den einzelnen Verdichterstufen Es
sind Entlastungsvorrichtungen für Verbundkompressoren bekannt, bei «-elchen der
Druck im Zwischenkühler dadurch konstant gehalten wird, daß das Ansaugevolumen des
Hoch- und Niederdruckzylinders durch länger andauernde Zuschaltung von Zusatzbehältern
geeigneter Größe zu den Zylinderräumen im gleichen Verhältnis herabgesetzt werden
kann. Die Verminderung der Liefermenge und die damit verbundene Herabsetzung der
Antriebsleistung kann jedoch in diesem Falle nur stufenweise erfolgen, wobei die
Anzahl der Regelstufen der Anzahl der für jeden Zylinder vorgesehenen Zusatzbehälter
gleich ist.
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Es ist ferner bekannt, daß die Liefermenge von Kolbenverdichtern durch
Zuschalträume, welche den Zylinderräumen nur während eines mehr- oder weniger großen
Teiles des Verdichtungshubes zugeschaltct bleiben, auch stufenlos geändert werden
kann. Hierbei ist je Zylinderseite nur ein Zuschaltraum erforderlich. Die Betätigung
des Regelventils zwischen dem Zylinder und dem Zuschaltraum kann durch einen synchron
mit der Kurbelwelle umlaufenden Steuerapparat erfolgen. Zweckmäßiger erfolgt die
Betätigung des Regelventils jedoch durch die im Verdichterzylinder bei jedem Kolbenspiel
periodisch auftretenden Druckänderungen. Diese wirken auf eine Seite des mit dem
Ventil verbundenen Abhel)Skolbens, während auf die andere Kolbenseite eine stufenlos
veränderliche Kraft einwirkt. Sobald der Druck im Zylinderraum kleiner oder größer
wird als die eingestellte Kolbenbelastung, welcher Fall bei jedem Kolbenspiel
einmal
eintritt, wird das Absperrorgan geöffnet oder geschlossen Lind damit der Zuschaltraum
zu- oder abgeschaltet. Die stufenlos veränderliche Kraft zur Belastung des Abhebekolbens
kann durch die Spannungeiner Fedier, pneumatisch oder hydraulisch erzeugt werden.
Ihre Einstellung kann entweder von Hand oder selbsttätig in Abhängigkeit von irgendeinem
Druck, der konstant gehalten werden soll (z. B. dem Enddruck des Verdichters bei
Luftkompressoren oder dem Verdampferdruck bei Kälteverdichtern), erfolgen. Ist der
Verdichter mehrstufig ausgebildet und sollen Druckschwankungen in den Zwischenkühlern
vermieden 'werden, so müssen die Regeleinrichtungen sämtlicher Verdichterstufen
derart gesteuert werden, daß ihre Liefermengen um einen gleichen Prozentsatz herabgesetzt
werden. Diese Forderung konnte bisher in einwandfreier Weise nur dadurch erfüllt
werden, daß der stufenlos veränderliche Abhehedruck für die Regelventile jeder Verdichterstufe
durch ein eigenes Regelorgan in Abhängigkeit vom Enddruck der betreffend.eti Verdichterstufe
eingestellt wurde.
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Gegenstand der Erfindung ist eine besonders einfache Vorrichtung zur
zentralen Liefermengenregelung aller Verdicliterstufen eines mehrstufigen Verdichters
von einer einzigen Stelle aus. In diesem Falle ist für alle Regelventile aller Verdichterstufen
nur ein einziges Regelorgan für den ;-#l>hebedruck vorhanden.
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Die Betätigung der in den verschiedenen Verdichterstufen liegenden
lZegelventile erfolgt hierbei durch ein hydraulisches oder pneumatisches Druckmittel.
Der stufenlos veränderliche Druck dieses Druckmittels, der eine mehr oder minder
lange Zuschaltung der Zuschalträume zu den Verdichterrylindern zur Folge hat, wird
im nachfolgenden mit pzc, bezeichnet. Er wird am einfachsten durch Drosseln stufenlos
verändert und ist für eine bestimmte Liefermenge des Verdichters bei den Regelventilen
aller Verdichterstufen gleich groß. In den Arbeitszylindern der Verdichterstufen
herrschen aber Drücke, deren Größen sowohl von der betreffenden Verdichterstufe
abhängig sind und die außerdem auch noch periodisch veränderlich sind. Diese Drücke
wirken auf die andere Seite der Abhebekolben ein. Um trotzdem eine gleichmäßige
Veränderung der Liefermenge in allen Verdichterstufen zu erreichen, sind die Abhebekolben
als Stufenkolben ausgebildet, deren Abmessungen den verschiedenen Druckverhältnissen
angepaßt sind.
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Außerdem sind für einen vollkommenen Ausgleich der Abhebekräfte bei
einzelnen Verdichterstufen auch noch konstante Kräfte erforderlich, die auf die
Stufenkolben einwirken und durch Federn oder durch einen unter konstantem Druck
stehenden Kopien erzeugt werden können.
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Zur Erläuterung der Erfindung sollen die Verhältnisse bei einem zweistufigen
Verdichter untersacht werden, bei dem die Saugventile zur Zu-,
schaltung der
Zuschalträume benutzt werden und das Offenhalten der Ventile durch Gasdruck erfolgt.
Es zeigen Abb. i einen zweistufigen Verdichter tnit einer erfindungsgemäßen Liefernietigenregelutig
im Linienschema, Abb. 2, 3, 4, 6, 7, R und 9 verschiedene Diagramme, Abb.5 und io
einen Stufenkolben schematisch sowie die Einschaltung desselben in eine Abliebevorrichtung
zur Steuerung des Regelventils.
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In Abb. i ist ein zweistufiger Verdichter dargestellt, bei dem die
erfindungsgemäße Abstimmung der Abhebekräfte entsprechend dem weiter unten beschriebenen
Fall A erfolgt. In dieser Abbildung ist mit K der Verdichterkolben, mit Si Lind
Di das Saug- und'Druckventil der ersten und mit ,S, und D, das Saug- und Druckventil
der zweiten Verdichterstufe bezeichnet. Ri und R.= sind zwei Rückschlagventile,
durch die die Saugräume der beiden Verdichterstufen voll den betreffenden Saugleitungen
abgetrennt werden, so daß Zuschalträume geeigneter Größe entstehen. N1 it ZK ist
der Zwischenkühler und mit B der Hauptbehälter bezeichnet, von dem das verdichtete
Gas durch die Leitung VL zu den Verbrauchern strömt. SK, und SK, die leiden Stufenkolben,
durch die die erforderlichen Offenhalte-kräfte erzeugt werden, die durch nicht gezeichnete
Greifer auf die Ventilplatten übertragen werden. Mit Fd ist schließlich eine Druckfeder
bezeichnet, die beispielsweise in der zweiten Stufe angeordnet wird und eine entsprechende
konstante Vergrößerung der Offenhaltekraft auf das Saugventil der zweiten Stufe
ergibt.
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Der dargestellte Verdichter ist beispielsweise mit einer Regeleinrichtung
ausgerüstet, die von Hand aus betätigt wird und den stufenlos veränderlichen Abhebedruck
Pze, durch Drosselung des Enddruckes pe2 oder des Zwischendruckes pet
= pa, erzeugt. Für den letzteren Fall ist die Drosseleinrichtung statt an
den Hauptbehälter 13 an den Zwischenkühler ZK anzuschließen, wozu die fallweise
auszuführende, strichliert gezeichnete Rohrleitung dient.
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Die Drosseleinrichtung besteht im wesentlichen aus einem kleinen Hilfsbehälter
HB mit einem den jeweiligen Abhebedruck pu, anzeigenden llatiometer .'17 und zwei
Drosselventilen. von welchen das eine, DV, von Hand aus verstellt werden
kann, während das zweite, Pf'f. fit eingestellt (fast vollständig geschlossen) ist.
N'on diesem führt eine Rohrleitung zur Saugleitung der ersten Stufe zurück. Bei
Luftverdichtern könnte diese Leittttisl, auch entfallen und die Abströmung aus (lern
Hilfsbehälter direkt ins Freie erfolgen.
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Die Drosseleinrichtung wirkt nur derart, daß bei einem Öffnen des
ersten Drosselventils 1)U der Einströmquerschnitt in den Hilfsbehälter entsprechend
vergrößert wird, wahrend der Abströniquerschnitt ungeändert bleibt. Dadurch tritt
eitle Erhöhung des Abhebe-druckes pw ein, der durch Rohrleitung auf die Oberseite
der Stufenk01l)eti SKI und SK2 übertragen wird und eine entsprechende Verminderung
der Fördermenge des Verdichters bewirkt. Unigekehrt wird bei einem Schließen des
Drosselventils Dl' der Einströtnquerschnitt
verkleistert und der
2#l>hebedruck vermindert, so daß eine Vergrößerung der Kompressorlieferrnenge eintritt.
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In :\bb. 2 ist <las pG'-Diagramm einer Verdichterstufe mit Zuschaltraumregelung
dargestellt. Der Linienzug 1-2-3-4-1 entspricht der vollen Liefermenge 1T",ax. Der
Linienzug 1-2'-3-4'-i entspricht denn Kleinstwert l11",;" und 1-5-6-3-7-8-r
einem Zwischenwert 1l. pa und pe bezeichnen den Ansauge- und Enddruck der Verdichterstufe,
Vo den schädlichen Raum, Vz den Zuschaltraum und VIl das Hubvolumen. 2#lit pz sei
der Zwischendruck bezeichnet, bei (lern die auf den Abhebekolben einwirkenden Kräfte
einander das Gleichgewicht halten. Wird dieser Druck im Kompressorzylinder überschritten,
so werden (sie Kräfte, die das Regelventil offen halten, überwunden und der Zuschaltraum
abgeschaltet. Sinkt der Druck im Zylinder unter pz, so öffnet das Regelventil und
der Zuschaltraum wird zugeschaltet.
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Die Arbeitsweise des Verdichters bei Förderung der Liefermenge
11 ist folgende: Nach dem Allsaugen bleibt der Zuschaltraum, da der Druck
im Kompressorzylinder zunächst kleiner ist als pz, zugeschaltet, und die Verdichtung
erfolgt nach einer entsprechend flachen Kurve 3-7. Im Punkt 7 wird der Zuschaltraum
abgeschaltet, und die weitere Verdichtung erfolgt nach der steileren Linie 7-8.
Im Punkt 8 öffnet (las I)ruckveiitil und das verdichtete Gas wird in (sie Druckleitung
ausgeschoben. Im Punkt i erfolgt die Bewegungsumkehr des Verdicltterl:o,llrens und
beginnt die Rückexpansion aus dem schädlichen Raum Vo.
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Im Punkt 5 ist der Druck im Zylinder bereits bis auf pz gesunken und
der Zuschaltraum wird zugeschaltet. "'oi1 5 bis 6 nimmt auch der Zuschaltraum an
der Rückexpansion teil, so daß dieser Teil des Diagramms entsprechend flacher verläuft.
Im Punkt 6 öffnet das Saugventil und beginnt die Saugperiode, die bis zum Punkt
3 der nächsten Bewegungsumkehr des Verdichterkolbens andauert.
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Für pz = pa wird die Liefermenge .Il = Max.. für pz
= pe wird .1l = Zltn. 31,";" Ist nur von der Größe des Zuschaltraunies und
dem Verdichtungsverhältnis der Verdichterstufe abhängig. Unter der Annahme eines
gesetzmäßigen Verlaufs der Verdichtungs- und Entspannungslinien, z. B. Polytrope,
kann sowohl die erforderliche Größe des Zuschaltraumes für jede Verdichterstufe
als auch die Abhängigkeit des Zwischendruckes pz vom Liefergrad @ _ 1!/@'ll,"ax
berechnet werden. Bei der Darstellung der Abhängigkeit in Diagrammform ergibt sich
ein; etwas stach unten gekrümmte Linie, die, wie in =\1>l>. 3 punktiert angedeutet
ist, von pz = pe für i",;" bis pz = pa für i. = 1 führt. Mit
großer Annäherung kann diese Linie durch eine Gerade ersetzt werden. Für einen zweistufigen
Verdichter ist das entsprechende Diagramm in Abb. d dargestellt.
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Sollen bei einer I.ieferinetigetiänderung Druckverschiebtingen im
Verdichter vermieden werden. dann muß (sie Liefermenge in beiden Stufen gleich stark
verringert werden. Aus Abb. d ergeben sich die für eine bestimmte Liefermenge erforderlichen
Zwischendrücke pzl und pz2, bei welchen die gesteuerten Ventile öffnen und schließen
müssen. Diese Drücke wirken auf die eine Seite der Abhebekolben. Da der stufenlos
veränderliche Abhebedruck pw für beide Stufen die gleiche Größe haben soll, ist
die Einschaltung einer Kraftübersetzung notwendig, die am einfachsten durch Stufenkolben,
z. B. nach Abh. 5 erreicht werden kann.
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_1#,uf die Oberseite F des Stufenkolbens wirkt der Abhehedruck p?("
auf die Unterseite f der Zwischendruck pz der betreffenden Ver.d'ichterstufe und
auf die Ringfläche F-f ein konstanter Entlüftungsdruck po.
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Für den Gleichgewichtsfall ist dann
Da der Stufenkolben für jede Verdichterstufe jeweils nur in einer bestimmten Größe
ausgeführt werden kann, F und f daher als konstant anzusehen sind, muß auch die
rechte Seite der Gleichung über den ganzen Regelbereich konstant sein. Diese Bedingung
wird, wie aus Alb. 6 hervorgeht, dann erfüllt, wenn pw ebenfalls einen geradlinigen
Verlauf aufweist und der Schnittpunkt mit pz die Ordinate po besitzt.
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Als Entlüftungsdruck wird zweckmäßig ein an der Maschine verfügbarer,
annähernd konstanter Druck, also etwa der Ansaugedruck einer der Stufen verwandt.
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Einige Möglichkeiten der Abstimmung der Kräfte werden an Hand von
Diagrammen nachstehend beschrielyen. Es wird dabei immer der allgemeine Fall angenommen,
daß pze, ungleich pzl ist. Selbstverständlich wird zweckmäßig meistens pzv
= pzl gewählt werden, weil dann für die erste Verdichterstufe kein Stufenkolben,
sondern nur ein einfacher Kolben notwendig ist.
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Fall A (Abb. 7) : Vorausgesetzt ist eine Entlüftung des Ringraumes
des Stufenkolbens der ersten Verdichterstufe in die Saugleitung der ersten Stufe.
pol ist daher gleich pa" Der Schnittpunkt von pzo und pzl hat daher die Ordinate
pal. pzx'max sei kleiner gewählt als pes, weil dann auch der Enddruck der ersten
Stufe für die Erzeugung des Abhebedruckes verwendet werden kann. Die Zwischenwerte
von pzu (fiir größere Liefermengen) können 111 einfacher Art durch Drosselung von
pes stufenlos erzeugt werden.
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Das Kolbenflächenverhältnis für die erste Stufe ergibt sich durch
Einsetzen der entsprechenden Werte in die obige Gleichung mit
Wird in der zweiten Verdichterstufe auf den Stufenkolben eine konstante Kraft K
z. B. durch eine Feder oder durch einen unter konstantem Druck stehenden Kolben
zur Wirkung gebracht, wobei K = FZ (pa2 - pal) ist, so hat dies die
gleiche Wirkung, als wenn pw für die zweite Stufe
um pa,
- pa, erhöht würde. Statt pw gilt die parallel um pa2 - pal nach oben
verschobene Gerade pui. Als Entlüftungsdruck pol ist die Ordinate des Schnittpunktes
von pzxi mit pz2, also pa2, einzusetzen. Die Entlüftung des Ringraumes des Stufenkolbens
der zweiten Verdichterstufe ist daher in die Saugleitung der zweiten Stufe vorzunehmen.
Das Kolbenflächenverhältnis für den Stufenkolben der zweiten Stufe ergibt sich aus'
der Gleichung
Fall B (Abb. 8) : Für die erste Stufe wird in gleicher Weise wie bei Fall A vorgegangen.
Statt jedoch pw für die zweite Stufe zu erhöhen, kann auch pz2 durch eine konstante
Kraft K = f2 (pa2 - pal), die gleichfalls von oben nach unten wirkt,
erniedrigt werden. An Stelle von pz, gilt dann die parallel um pa= - pa,
nach unten verschobene Gerade pz'" Für den Entlüftungsdruck pol ist hier pa, einzusetzen
und das Kolbenverhältnis ergibt sich aus
Die beiden Fälle unterscheiden sich nur dadurch, daß die Ringfläche des Stufenkolbens
der zweiten Stufe einmal mit dem Druck pa, und das zweitemal mit dem Druck pal entlüftet
wird, also einmal mit der Saugleitung der zweiten, das zweitemal mit der Saugleitung
der ersten Verdichterstufe zu verbinden ist, ferner dadurch, daß die Kraft K im
Fall B wesentlich kleiner wird, da hier f statt F als Faktor auftritt.
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Für normale Luftkompressoren weist der Fall B außerdem den.Vorteil
auf, daß die Entlüftung der Stufenkolbenringflächen beider Verdichterstufen direkt
ins Freie erfolgen kann, da hier pa, mit dem Atmosphärendruck identisch ist.
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Fall C (Abb. 9) : Hier sei zunächst die zweite Stufe behandelt, wobei
die Entlüftung mit dem Ansaugdruck der ersten Stufe pa, erfolgen möge. Die pz2-Linie
ist dann bis auf die Höhe pal zu verlängern und die pzc-Linie durch diesen Punkt
zu legen.
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Das Kolbenflächenverhältnis der zweiten Stufe ergibt sich aus der
Gleichung
In der ersten Stufe wird pzl durch eine konstante Kraft K = fl
die von unten nach oben wirkt, erhöht. Statt pzl gilt die parallel um K/fl nach
oben verschobene Gerade pz'l. Die Entlüftung erfolgt gleichfalls mit pal und das
Kolbenflächenverhältnis ergibt sich zu
Wenn pw von vornherein parallel pzl angenommen wird, so kann auch hier in der ersten
Stufe mit normalem Kolben statt Stufenkolben gearbeitet werden.
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Durch diese Beispiele, die nicht alle Möglichkeiten erschöpfen, sollte
gezeigt werden, daß erst durch die Anwendung einer konstanten Kraft K in einer der
Stufen erreicht wird, daß die erforderlichen Kolbenflächenverhältnisse über den
ganzen Regelbereich konstant «erden.
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Wird die Kraft K, die in der zweiten Verdichterstufe von oben nach
unten wirkt, durch eine Feder erzeugt, so kann sie beispielsweise nach Abb. io auch
während des Betriebes des Verdichters eingestellt werden. In dieser Abbildung bezeichnet
SK den Stufenkolben, an dem ein Greifer G befestigt ist, der auf die Ventilplatte
des Plattenventils V wirkt, das die Verbindung des Zuschaltraumes mit dem Zylinderraum
steuert. Fd ist die Feder, deren Spannung nach Lösen der Hutmutter 1'1-T mittels
der Einstellschraube S eingestellt werden kann. Das Gewinde bewirkt hierbei eine
ausreichende Abdichtung des unter dem Abhebedruck pzc stehenden Raumes oberhalb
des Stufenkolbens.