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Rotierende Kompressions- oder Expansionsmaschine für gasförmige Körper
Zur Bewältigung relativ großer Druckdifferenzen im gas- und dampfdynamisch interessanten
Zustandsgebiet - werden Kolbenmaschinen für Kompression und Expansion in der Praxis
vorwiegend. benutzt. Bekannte Rotationsmaschinen (Drehkolben-, Rollkolben-, Schrauben-,
Schnecken-, Kammerkolbenmaschinen usw.) im allgemeinen sowie Sonderausführungen
derselben, bei denen beispielsweise die Trommel mit dem Kolben gleichsinnig mitrotiert
und bei denen mit der Trommel mitrotierende Flüssigkeitsringe zu Abdichtungszwecken
zur Anwendung kommen, haben. nur als Gebläse oder Kompressoren zur Überwindung relativ
kleiner Druckdifferenzen Bedeutung.
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Die Erfindung betrifft eine rotierende Kompressions- oder Expansionsmaschine,
bei der ein rotierender Kolben, der radial bewegliche Arbeitsschieber trägt, in
einer mit dem Kolben mit gleicher Drehzahl und im gleichen Drehsinn umlaufenden
Trommel exzentrisch angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist der rotierende Kolben in
axialer Richtung durch mit Öffnungen versehene Trennscheiben
in
einzelne Abschnitte verschiedener Höhe unterteilt, wobei die Trennscheiben in entsprechenden
Nuten in der Trommel laufen und in eine Sperrflüssigkeit eintauchen, die unter dem
Einfluß der Zentrifugalkraft, herrührend von der Rotation des Systems Kolben-Trommel,
liegt, derart, daß zur Verbindung der axial gegliederten Gasräume die in den Trennscheiben
angebrachten Öffnungen so in ihrer Lage zu den. Schiebern angeordnet sind, da,ß
von dem System angesaugtes Gas oder angesaugter Dampf während der Rotation in stufenweise
kleiner werdende sichelförmige Räume geschoben und komprimiert bzw. in umgekehrter
Richtung in größer werdenden Räumen expandiert wird. Damit wird eine Rotationsmaschine
mit den charakteristischen Eigenschaften der Kolbenmaschine geschaffen, mit Vorzügen
in fertigungs- und betriebstechnischer Hinsicht, wie Aufbau der Maschine für beliebige
Fördermengen und Druckstufen durch wahlweise Zusammenschaltung genormter Bauelemente,
Ölfreiheit des geförderten Mediums, weitgehende Verwirklichung der Kompressionsiso@thermen
bei Gasen bzw. der Carnotisierung bei Dämpfen, ventillose Bauart ohne schädliche
Räume, vollständiger Massenausgleich, niedrige Relativgeschwindigkeiten zwischen
den gleitenden Teilen, Betriebsdrehzahlen von 3000 U/min durch direkt gekuppelten
Antrieb mit billigsten schnell laufenden Elektromotoren, Anordnung von Kompressor
und Antriebsmotor bzw. Kraftmaschine und Stromerzeuger in einem gemeinsamen. Gehäuse.
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In der Zeichnung ist in einem Ausführungsbeispiel der Erfindungsgegenstand
dargestellt.
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Fig. i a zeigt einen Längsschnitt durch die Ma schine; Fig. i b zeigt
einen Querschnitt durch den: ersten Kolbenabschnitt (Schnitt I-I nach Fig. i a)
; Fig. i c bis i e zeigen einen Querschnitt durch den zweiten bis dritten Kolbenabschnitt
(Schnitt II-II bis IV-IV nach Fig. i a) ; Fig.2 zeigt die Abwicklung der Kolbenoberfläche;
Fig.3 zeigt schematisch die Anordnung des Kompressors innerhalb einer Kälteanlage.
Zunächst wird das kinematische System, das der Maschine zugrunde liegt, wie folgt
beschrieben: Nach Fig. i a läuft ein zylindrischer Arbeitskolben, i vom Durchmesser
d, der durch zylindrische Trennscheiben T1, T2, T3 usw. in die einzelnen Abschnitte
K1, K2, K3 usw. mit den verschiedenen Höhen. hl, h2, h3 usw. eingeteilt ist, in
einer ebenfalls umlaufenden und abschnittsweise unterteilten Trommel :2 mit der
Bohrung D. Die Drehzahl von Kolben und Trommel ist dabei gleichsinnig gleich. n.
Der Kolben ist mit der Hohlwelle 3 verbunden, die in q. gelagert ist, während die
Hohlwelle 5, die die Trommel 2 trägt, bei 6 gelagert ist.
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Der Kolben i läuft in der Trommel 2 mit der Exzentrizität
e, so daß D-d -- 2 - e gilt; beide Teile berühren sich also jeweils
längs einer Erzeugenden des Kolbens bzw. der Trommelbohrung. Jeder Kolbenabschnitt
K1, K2, K3 USW- trägt in zwei auf einem Durchmesser liegenden Schlitzen L1,
L2 L3 usw. zwei Schieber S1, S2, S3 usw., deren Länge jeweils gleich ist den einzelnen
Abschnittshöhen hl, h2, h3 usw. Diese Schieber S1, S2, S3 usw. werden unter dem
Einfluß der Zentrifugalkraft des umlaufenden Systems gegen die Trommelin.nenfläche
gedrückt und dichten die sichelförmigen Kammern zwischen Kolben und Trommel gegeneinander
ab (Fig. i b bis i-). Für die Trennscheiben T1, T2, T3 usw. sind in der Trommel
Ringnuten N1, N2, N3 usw. vorgesehen, in denen, sie ebenfalls exzentrisch derart
laufen, daß die Scheiben selbst immer wieder mit dem Mindestmaß f in die Nuten eintauchen.
Zur gegenseitigen Abdichtung der Kammern in axialer Richtung mittels der Trennscheiben
T in den Nuten N ist in das rotierende System eine gewisse Menge Sperrflüssigkeit
in die Nuten, vornehmlich Quecksilber, gegeben, die infolge der Zentrifugalkraft
die Nuten N ausfüllt.
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Die Trennscheiben T1, T2, T3 usw. sind mit je zwei Aussparungen Al,
A2, A3 usw. (Fig. i b bis i e, 2) versehen, deren Lage zu dem Schiebern S1, S2,
S3 usw. aus den Fig. i b bis i e hervorgeht.
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Die Unterteilung des Kolbens durch Trennscheiben und Schieber ist
an Hand der schematischen Abwicklung der Kolbenoberfläche in. Fig. 2 dargestellt.
Das über die Hohlwelle 3 angesaugte Gas gelangt in Richtung des Pfeiles durch den.
Verteilerkopf 7 dieser Welle in den Ansaugeraum B. Dieser Ansaugeraum ist gegen.
den Maschinengehäuseraum 9 durch die Trennscheibe T" abgedichtet, die in der Trommelnut
Na läuft und keinerlei Aussparungen aufweist. Vom Ansaugeraum gelangt das
Gas während einer Umdrehung des Kolbens durch die beiden AussparungenAl in T1 nacheinander
in die beiden Sichelräume um K1 und wird noch während dieser Kolbenumdrehung durch
A2 in T2 in die Räume um K2 ausgeschoben, Die angesaugte Gasmenge erfährt dadurch,
daß sie in stufenweise kleiner werdende Räume geschoben wird, eine Verdichtung.
In Fig. 2 werden die Verhältnisse bei der Verdichtung und Förderung über die einzelnen
Kolbenabschnitte sichtbar, wenn man die Berührende B-B zwischen. Trommel und Kolben
in der gezeichneten Pfeilrichtung R über die Kolbenabwicklung verschiebt. Die beiden
Gaswege G, G entsprechen den beiden Aussparungen in den Trennscheiben. Zur Abführung
der Kompressionswärme ist für die Kühlung der Trommel von außen ein zwischengekühlter
Ölumlauf i i, schematisch angedeutet, vorgesehen, der - gleichzeitig für die Druckschmierung
der Lagerung herangezogen werden kann. Eine Ölpumpe 12 saugt das Öl aus dem Gehäuse
g ab und fördert es durch, einen Ölkühler 13 über die Ölleitung i i zu den
Sprühdüsen i4., die es dauernd auf den warmen, Teil der Trommel aufsprühen. Der
Läufer 15 eines im gemeinsamen Gehäuse 9 untergebrachten Elektromotors ist unmittelbar
auf der Hohlwelle 3 des Kolbens i auf-. gesetzt.
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Die Abdichtung der Hohlwelle 3 gegen das Gehäuse 9 bzw. den Ansaugestutzen
16 erfolgt durch eine Schleifringdichtung 17. Ebenso ist die Hohlwelle 5, die die
Trommel :2 trägt, gegen den Druckstutzen
18 mit einer Sehleifringdichtung
i9 abgedichtet. Die gleichsinnige übertragung der Kolbenrotation auf die Trommel
erfolgt in bekannter Art beispielsweise über doppelzapfige Lenkerkurbeln 2o.
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Zur Vermeidung des Eindringens von Sprüh.ö:l über die Sperre in Na
zum Ansaugeraum 8 ist zwischen Trommel 2 und Trennscheibe T" ein Schleifring 2 i
gelegt, der aus seiner Nut heraus federnd gegen T, gedrückt wird.
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Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung des beschriebenen Kompressors
innerhalb einer Kälteanlage: Der Dampf des Kältemittels wird hierbei vom Verdampfer
22 abgesaugt über ein Reduzierventil 23, das den Saugdruck, für den der Kompressor
bestimmt ist, auch für die Anfahrzustände immer konstant einregelt. Die Kompression
erfolgt wie oben beschrieben, sie verläuft aber durch eine Hilfseinspritzung von
flüssigem Kältemittel in einen oder mehrere Kompressionsräume im trocken gesättigten
Gebiet (Carnotisierung). In. den inneren Hohlraum 24 des Kolbens mündet ein, durch
die Hohlwelle 5 hindurchgehendes, feststehendes Rohr 25. Durch dieses Rohr wird
über ein Hilfseinspritzventil 26 Flüssigkeit vom Kondensator 32 eingespritzt in
2q., die durch die Zentrifugalkraft durch die Bohrungen 27 über kalibrierte Düsen
28 in den gewünschten Kompressionsraum gelangt (gezeichnet nur für einen Raum).
Durch Verdampfen dieser Einspritzflüssigkeit wird der Gasinhalt des betreffenden
Raumes gekühlt und aus dem Gebiet der Überhitzung in, den trocken gesättigten -
Zustand übergeführt.
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Zur Wiedergewinnung etwa mitgerissener Sperrflüssigkeit; z. B. Quecksilber,
wird diese aus einem Sammelgefäß 29 am unteren Teil des Kondensators über ein Schwimmerventil
30 ebenfalls über das Rohr 25 dem Raum 2.4 zugeführt unter Umgehung des Hilfseinspritzventiles.26.
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Die Quecksilberrückführung ist unabhängig von der Hilfseinspritzung
und kann für sich allein, angeordnet sein, wobei sie dann unmittelbar in, das Ende
des Kompressionsraumes io eingeführt werden kann. Um Quecksilberkondensat, das in
der Druckleitung anfällt, wieder zur Maschine zurückzubringen, ist vom Druckstutzen
aus über die Schleif ringdichtung i9 eine Manschette 31 gezogen, up d es
ist die Bohrung der Hohlwelle 5 konisch ausgeführt zur Abschleuderung des Quecksilbers
zum Ende des Kompressionsraumes.
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Die beschriebene Kompressionsmaschine ist nach Hilfsanlauf, wie in
bekannter Weise ähnliche Systeme, auch als Expansionsmaschine (Dampfmaschine) geeignet,
wenn die Strömungsrichtung von Gas oder Dampf umgekehrt wird..