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Maschinensatz zur Leistungssteigerung von Kreiselverdichtern oder
Kreiselpumpen durch Drehzahlerhöhung über einen gewählten Normalpunkt hinaus An
Kreiselmaschinen wird in der Regel die Forderung einer vorübergehenden Überlastbarkeit
gestellt, die häufig nur durch höhere Drehzahl der Kreiselmaschine erreicht werden
kann. Beim Antrieb durch Turbinen, Dampfmaschinen oder Gleichstrommotoren ist dieser
Forderung infolge der leichten Regelbarkeit und Drehzahlverstellung dieser Maschinen
ohne Schwierigkeiten nachzukommen. Anders liegt jedoch der Fall z. B. beim Antrieb
von Kreiselmaschinen durch einen Drehstrommotor oder andere, eine feste, unveränderliche
Drehzahl aufweisende Antriebsmaschinen. In manchen Fällen läßt sich bei solchen
Antrieben eine Änderung der Drehzahl an der Arbeitsmaschine durch Einbau eines Wechselgetriebes
erreichen. EinWechselgetriebe ist jedoch teuer und nur dort leicht anzuordnen, wo
einem für ein Umschalten notwendigen vorübergehenden Stillsetzen der Anlage nichts
im Wege steht. Bei Maschinen mit hoher Drehzahl und großer Leistungsaufnahme, z.
B. bei Hochofengebläsen, Kesselspeisepumpen u. dgl., verbietet sich daher diese
Betriebsweise einer Drehzahlsteigerung durch Umschalten mittels Wechselgetriebes
aus wirtschaftlichen Gründen.
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Eine weitere Möglichkeit einer durch Diehzahlerhöhung erzielbaren
Leistungssteigerung solcher Arbeitsmaschinen besteht darin, die Kreiselmaschine
so
groß zu bauen, daß sie bei der festen Drehzahl nicht die Normalleistung,
sondern die Höchstleistung abgibt und die Normalleistung durch Drosselung oder andere
Maßnahmen bei entsprechendem Leistungsverlust erreicht wird. Dieser Verlust ist
jedoch insbesondere bei Dauerbetrieb im Normalpunkt nicht unbeträchtlich. Um ihn
zu vermindern, werden bekanntlich, z. B. bei Kreiselmaschinen, diese mit dem Antriebsmotor
durch eine Flüssigkeitskupplung bekannter Bauart verbunden. Es ist dadurch möglich,
eine Drehzahlverminderung durch Vergrößerung des Schlupfes zu erreichen. Aber auch
hierbei besteht der Nachteil, daß die Kreiselmaschine während der längeren Betriebszeit
mit großem Schlupf d. h. auch mit entsprechend großen Verlusten laufen muß und nur
beim Höchstlastpunkt mit geringstem Verlust, der mindestens etwa 2 bis 3 °/o der
Antriebsleistung beträgt.
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Mit Verlusten in ähnlicher Höhe ist auch das bekannte Verfahren verknüpft,
den Läuferstrom des Drehstrommotors teilweise in einem Widerstand zu vernichten,
um die Drehzahl herabzusetzen. Eine weitere Ausführungsmöglichkeit, den Läuferstrom
nicht in einem Widerstand zu vernichten, sondern in einer Zusatzmaschine auszunutzen,
ist wohl wirtschaftlicher, wird aber in der Ausführung sehr teuer und hat ebenfalls
den Nachteil, daß die Verluste im Dauerbetrieb am Normalpunkt am höchsten und am
Überlastpunkt am kleinsten sind. Außerdem sind solche Anlagen teuer und erfordern
viel Platz. Ein weiterer Nachteil, die Drehzahl durch Änderung des Läuferstromes
zu beeinflussen, besteht darin, daß die Klotoren mit Schleifringläufer und ständig
mit angelegten Bürsten laufen müssen.
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Diese Nachteile der bekannten Einrichtungen und Maßnahmen werden durch
die Erfindung beseitigt. Sie besteht in der Anordnung eines besonderen Maschinensatzes.
Mit Hilfe der an sich bekannten Ausbildung des Kupplungsgliedes zwischen Antriebsmaschine
und Kreiselpumpe oder Kreiselverdichter, d. h. des Flüssigkeitsgetriebes mit seiner
Schlupfmöglichkeit und der Vorrichtung zur synchronen Kupplung der beiden Getriebehälften
durch Klauen, Bolzen oder Reibungsflächen. kann der Übergang vom Synchronbetrieb
in den Höchstlastbetrieb und umgekehrt ohne Stillsetzen des Maschinensatzes bewerkstelligt
werden. Während die Kupplung eingelegt also synchron geschaltet ist, ist gleichzeitig
die Wirkung des Flüssigkeitsgetriebes ausgeschaltet. Hierbei wird die Normalleistung
der Kreiselmaschine mit der Drehzahl des Antriebes erreicht, während die Synchronkupplung
eingerückt und das Flüssigkeitsgetriebe entleert ist. Die Anlage arbeitet also im
Normalpunkt ohne zusätzliche Verluste. Das Flüssigkeitsgetriebe und die Kreiselmaschine
sind so aufeinander abgestimmt, daß mit der höchsten Drehzahl des als Turbine arbeitenden
Teils des Getriebes die Höchstlast der Arbeitsmaschine gefahren werden kann. Zwar
treten bei Höchstlast zusätzliche Verluste durch die Reibungsarbeit des Flüssigkeitsgetriebes
auf, aber diese sind leicht in Kauf zu nehmen, weil die Überlastung nur verhältnismäßig
kurzzeitig erforderlich ist.
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Ein beispielsweises Flüssigkeitsgetriebe ist in Abb. r teils im Schnitt
und in Ansicht andeutungsweise dargestellt. Die Kurvenbilder 2, 3 und 4 lassen eine
Gegenüberstellung der geschilderten Arbeitsweisen ersehen.
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Mit a ist der als Pumpe wirkende Getriebeteil, mit
b
ein Leitapparat und mit c der als Turbine wirkende Teil bezeichnet. Für
die Synchronschaltung sind beispielsweise Reibungsflächen f und g an der Kupplung
vorhanden. Diese kann betätigt werden, indem der Kolben h zum Ausrücken der Kupplung
und Federn i zum Zusammenpressen der Kupplungskegel benutzt werden. Der Druckraum
des Kolbens k kann mit dem Flüssigkeitsgetriebe in Verbindung stehen, oder er kann
auch durch andere Maßnahmen verstellbar sein, z. B. durch elektrische Mittel. An
Stelle der Reibungskupplung, wie gezeichnet, kann auch eine Bolzen- und Klauenkupplung
vorgesehen sein, die in der gleichen oder ähnlichen Weise, gegebenenfalls auch elektrisch
bzw. elektromagnetisch ein- und ausgerückt werden kann. Außerdem besteht die Möglichkeit,
die Welle der Antriebsmaschine, z. B. den Turbinenläufer, auf eine Überholungskupplung
bekannter Bauart zusetzen, die bei Erreichung der Synchrondrehzahl kuppelt und bei
größerer Drehzahl des Antriebs als Freilauf wirkt.
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Die Gegenüberstellung der bisherigen Regelungsmöglichkeiten mit der
erfindungsgemäßen Regelung gemäß den Kurven Abb. 2 bis 4 beweist deutlich die Verbesserung
der Arbeitsweise. Für die Aufstellung dieser Kurven wurde als Beispiel der Betrieb
eines Kreiselgebläses gewählt, das im Normalbetrieb einen bestimmten Druck zu halten
hat, mit dem außerdem vorübergehend ein höherer Druck gefahren werden soll.
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Abb.2 zeigt die Druckvolumenlinie für eine Maschine, bei der nur die
übliche Drosselregelung vorhanden ist. Die Maschine wird für den höchsten Druck
ausgelegt, der normale Betriebsdruck wird nur durch Drosselung in der Saug- oder
Druckleitung des Verdichters erreicht. Der Leistungsbedarf wird sich in diesem Falle
nach der Höchstlast einstellen, niedrigere Drücke können nur durch Drosselung erreicht
werden. Deshalb bleibt der Leistungsbedarf für diese Regelungsart auch bei vermindertem
Druck immer bei dem vollen Wert, der verminderte Druck hat also überhaupt keinen
Gewinn an Leistungsaufnahme zur Folge, der Verlust im Dauerbetrieb beim Normalpunkt
beträgt etwa 3o %.
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Abb. 3 zeigt die Wirkungsweise einer Drehzahlregelung, die durch eine
Schlupfregelung (am Motor oder durch Schlupfkupplung) erreicht wird. Bei der beispielsweise
angeführten Herabminderung der Drehzahl auf 9o % ist mindestens mit einem Verlust
von 12 bis 1g °/o zu rechnen, der während des Dauerbetriebes im Normalpunkt auftreten
wird.
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Abb. 4 erläutert die Leistungsaufnahme nach der Erfindung. Im Normalpunkt
treten keine Zusatzverluste auf, weil Antriebs- und Arbeitsmaschine starr gekuppelt
sind und das Fördermittel aus dem Flüssigkeitsgetriebe abgelassen ist. Bei Überlast
fährt die Kreiselmaschine mit einer höheren Drehzahl als der Antrieb und kann. damit
die geförderte höhere Leistung abgeben. Es entsteht bei dem Überlastpunkt ein zusätzlicher
Verlust durch die Getriebereibung, die aber leichter in Kauf genommen werden kann,
weil die Betriebszeiten im Überlastbereich nur kurz sind.
Die technischen
Vorteile erhellt folgendes Beispiel eines Hochofengebläses:
| Normale Ansaugmenge ..... 6oo ms/min |
| Normaler Enddruck. . . . . . . . i atü |
Verlangter Höchstdruck für hängenden Hochofen 1,3 atü bei Normalmenge. Nach Abb.
2 und 3 muß bei Drosselregelung oder Schlupfregelung der Berechnungspunkt auf 1,3
atü für Drehstromdrehzahl 295o U/min ausgelegt werden. Bei einer erfindungsgemäßen
Regelung braucht das Gebläse nur auf i atü bei 295o U/min ausgelegt zu werden.
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Es sei angenommen, der Hochofen braucht während 8ooo Stunden jährlich
einen Druck von
:[ atü und während 5oo Stunden einen Druck von 1,3 atü, so
ergibt sich folgendes Vergleichsbild:
| ' Ausgel, kWh in kWh in kWh |
| Normale Ersparnis |
| für 8000 Stunden 5co Stunden Zusammen |
| Regelart Nenndruck I-eistungsb. bei bei in in |
| atü kW i atü 1,3 atü 85oo Stunden kW |
| Drosselregelung nach Abb. 2. i,3 1250 io ooo ooo
625000 io 625 000 0 |
| Drehzahlregelung mit Schlupf |
| Abb. 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,3 1125 9 ooo ooo
645000 9645000 980000 |
| Drehzahlregelung nach der Er- |
| findung Abb. 4 . . . . . . . . . . 1 iooo 8000000 65o
dboo 8 65o ooo 1 975 ooo |