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Einrichtung zur Regelung einer Schraubenradmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine als Kompressor oder Expansionsmaschine arbeitende Schraubenradmaschine. Eine solche Maschine besteht bekanntlich aus mindestens zwei zusammenarbeitenden Rotoren (männlicher und weiblicher Rotor), die ineinandergreifende schraubenförmige Kämme und Nutenaufweisen, und aus einem Gehäuse mit einem Arbeitsraum, der durch die einander schneidenden zylindrischen Gehäusebohrungen für die Rotoren gebildet wird. Dieser Arbeitsraum weist an seinen Enden Abschlusswände und auf der Niederdruck- und Hochdruckseite Durchlässe auf.
Die Rotoren sind so geformt, dass sie bei ihrem Umlauf zusammen mit den Wänden des Arbeitsraumes geschlossene Kammern bilden, welche je aus kommunizierenden Nutabschnitten von zwei zusammenarbeitenden Rotoren bestehen und ihr Volumen beim Umlauf der Rotoren ändern. Im Hinblick darauf, dass die Maschine ein Druckverhältnis von solcher Höhe erhalten soll, dass sie als Kompressor oder als Expansionsmaschine verwendet werden kann, hat es sich als zweckmässig erwiesen, jeden Rotor mit mindestens drei Kämmen auszustatten.
Bei bekannten Ausführungen derartiger Schraubenradmaschinen besteht das Problem, einerseits die Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums und anderseits das Druckverhältnis der Maschine zu verändern. Die vorliegende Erfindung zielt nun darauf ab, dieses Problem zu lösen. Eine Schraubenradmaschine gemäss der Erfindung ist zu diesem Zweck mit mindestens einem axial verstellbaren, in der Hüllwandung des Arbeitsraumes angeordneten und mindestens gegen einen Rotor abdichtenden Schieber versehen, der eine solche axiale Erstreckung hat, dass er in allen seinen Stellungen eine der Abschlusswände durchsetzt, so dass er stets jenen Teil der Rotorlänge abdichtet, der auf der gleichen Seite der Einstellkante des Schiebers liegt wie die Abschlusswand, welche der Schieber durchsetzt.
Die Einstellkante der Schieber ist derart geformt, dass sie immer parallel zu den Kammgraten des zugeordneten Rotors verläuft.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Schieber in der Hüllwandung des Arbeitsraumes in bezug auf die die Achsen der Rotoren enthaltenden Ebene hochdruckseitig angeordnet und er durchsetzt die niederdruckseitige Abschlusswand. Beim Verstellen des Schiebers wird der Hochdruckdurchlass des Arbeitsraumes, d. h. die den Hochdruckkanal mit dem Arbeitsraum verbindende Öffnung, verändert, wodurch beim Betrieb der Maschine als Kompressor das Druckverhältnis der Maschine und beim Betrieb als Expansionsmaschine die Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums und zugleich das Druckverhältnis der Maschine verändert werden.
Bei einer anderen Ausführungsform ist der Schieber in der Hüllwandung des Arbeitsraumes in bezug auf die die Rotorachsen enthaltende Ebene niederdruckseitig angeordnet und er durchsetzt die hochdruckseitige Abschlusswand. Beim ssetrieb dieser Maschine als Kompressor wird durch Verstellen des Schiebers der Niederdruckdurchlass des Arbeitsraumes eingeregelt, wobei dieser Durchlass gesperrt werden kann, bevor die geschlossenen Kammern ihr grösstes Volumen erreicht haben. Auf diese Weise wird die Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums kleiner als die maximal mögliche Menge. Bei einem derartigen Betriebsverfahren wird die angesaugte Menge an Arbeitsmedium zuerst auf das volle Kammervolumen expandiert und dann in üblicher Weise wieder komprimiert.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist neben einem solchen ersten Schieber mindestens ein zweiter, getrennt axial verstellbarer Schieber in der Hüllwandung des Arbeitsraumes vorgesehen, der
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gegen mindestens einen Rotor abdichtet und die hochdruckseitige Abschlusswand durchsetzt. Dabei kann dieser zweite Schieber bezüglich der die Rotorachsen enthaltenden Ebene auch hochdruckseitig angeordnet sein, wobei seine Führung gegen jene des ersten Schiebers in Umfangsrichtung versetzt angeordnet wird. Wie schon erwähnt, wird mit Hilfe des ersten Schiebers beim Kompressorbetrieb das Druckverhältnis der Maschine und beim Betrieb als Expansionsmaschine in erster Linie die Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums verändert.
Mit Hilfe des zweiten Schiebers wird beim Kompressorbetrieb hingegen vor allem die Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums verändert, weil damit der Punkt, bei welchem die geschlossenen Kammern vom Niederdruckkanal abgetrennt werden, einstellbar ist. Beim Betrieb als Expansionsmaschine wird mit Hilfe des zweiten Schiebers vor allem das Druckverhältnis der Maschine verändert, weil damit der Punkt, bei welchem die geschlossenen Kammern gegen den Niederdruckkanal öffnen, eingestellt werden kann. Der zweite Schieber kann bezüglich der die Rotorachsen enthaltenden Ebene auch niederdruckseitig angeordnet sein.
Beim Kompressorbetrieb wird dann mit Hilfe des zweiten Schiebers die Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums ver- ändert, weil der Punkt, an welchem die geschlossenen Kammern vom Niederdruckkanal abgetrennt werden, so eingestellt werden kann, dass dieses Abtrennen vor Erreichen des maximalen Kammervolumens erfolgt.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist ein axial verstellbarer Schieber in der Hüllwandung des Arbeitsraumes bezüglich der die Rotorachsen enthaltenden Ebene hochdruckseitig angeordnet und er durchsetzt die niederdruckseitige Abschlusswand. während ein zweiter Schieber an der gleichen Führung wie der erste Schieber angeordnet und bis zur abdichtenden Berührung mit dem ersten Schieber axial verstellbar ist. Beim Kompressorbetrieb wird die maximale Durchsatzmenge an Arbeitsmedium bei abdichtender Berührung der beiden Schieber erzielt ; dabei ist das Druckverhältnis der Maschine von der Stellung der Schieber abhängig und vor allem kann eine Änderung der Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums durch getrennte Verstellung des ersten Schiebers erzielt werden.
Bei einem andern Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Rotoren Abschnitte mit gegensinnig schraubenförmigen Kämmen auf. In diesem Falle sind zwei symmetrisch zueinander angeordnete Schieber an der gleichen Führung synchron, aber gegenläufig verstellbar. Die Arbeitsweise dieser Maschine ist die gleiche wie die einer Maschine mit gleichsinnig schraubenförmigen Kämmen und einem Schieber an jeder Führung.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsformen der erfindungsgemässen Schraubenradmaschine dargestellt. Die Fig. 1 - 3 zeigen Längsschnitte durch drei verschiedene Ausführungsbeispiele. Fig. 4 ist ein Querschnitt, gesehen in Richtung der Pfeile 4-4 in Fig. 3. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel und Fig. 6 ist ein zugehöriger Schnitt, gesehen in Richtung der Pfeile 6-6 in Fig. 5.
Die Fig. 7, 8 und 9 stellen schliesslich Längsschnitte durch weitere Ausführungsbeispiele dar.
Gemäss der Zeichnung arbeitet ein männlicher Rotor 12, der im wesentlichen konvexe schraubenförmige Kämme 14 aufweist, mit einem im wesentlichen konkave schraubenförmige Kämme 18 tragenden weiblichen Rotor 16 zusammen. Die Rotoren 12 und 16 sind in einem Gehäuse 20 gelagert, das einen Arbeitsraum einschliesst, der durch zwei einander schneidende, je einen der Rotoren 12, 16 aufnehmende zylindrische Bohrungen 22, 24 gebildet wird. Das Gehäuse weist ferner zwei Abschlusswände 26, 28 auf, welche den Arbeitsraum begrenzen und gegen die Enden der Rotoren 12 und 16 abdichten ; schliesslich sind im Gehäuse Nieder- und Hochdruckdurchlässe 30, 32 vorgesehen, an die Nieder-bzw. Hochdruckkanä- le 34 bzw. 36 anschliessen.
Die Rotoren 12 und 16 sind in Lagern 38, 40 gelagert und mit einem Synchronisiergetriebe ausgestattet, welches die Rotoren derart kuppelt, dass diese niemals zur direkten gegenseitigen mechanischen Berührung kommen ; Der männliche Rotor 12 trägt ausserdem einen Wellenstummel 44, der zur Kraftübertragung von oder zu der Maschine dient.
Zur Änderung des Eintrittsvolumens, d. h. der Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums, und/oder des Druckverhältnisses der Maschine ist erfindungsgemäss ein axial verstellbarer Schieber vorgesehen. Dieser Schieber ist durch eine der Abschlusswände des Arbeitsraumes hindurch verstellbar und dichtet sowohl gegen einen Rotor oder beide Rotoren als auch gegen die betreffende Abschlusswand ab.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Schraubenradmaschine ist der axial verstellbare Schieber 46 auf der gleichen Seite der die Achsen der Rotoren 12 und 16 enthaltenden Ebene wie der Hochdruckdurchlass 32 angeordnet und reicht über die niederdruckseitige Abschlusswand 26 hinaus. Der Schieber 46 ist auf einer Führung 48 gelagert und kann mit Hilfe einer Stange 50 in axialer Richtung verstellt werden. Das Profil des Schiebers 46 wird durch zwei einander schneidende, gegen die Rotoren 12 und 16 abdichtende Zylin-
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derflächen gebildet (vgl. die Fig. 3 und 4). An der niederdruckseitigen Abschlusswand 26 ist eine Dichtungsplatte 52 angeordnet, deren Profil dem des Schiebers 46 angepasst ist.
Die Maschine arbeitet auf folgende Weise : Wenn die Maschine als Kompressor verwendet wird, so tritt ein gasförmiges Arbeitsmedium durch den Niederdruckkanal 34 und den Niederdruckdurchlass 30 in den Arbeitsraum ein. Das Arbeitsmedium füllt in bekannter Weise die Nuten der Rotoren, worauf es durch die allmähliche Verkleinerung des Volumens der kommunizierenden Nuten komprimiert wird, sobald die Kämme 14, 18 an der niederdruckseitigen Abschlusswand 26 zum Eingriff kommen. Diese Kompression erfolgt so lange, bis die Kämme 14, 18 den Rand des Hochdruckdurchlasses 32 passieren. Dieser Rand wird durch die dem Hochdruckdurchlass 32 zugekehrte Kante des Schiebers 46 gebildet. Auf diese Weise kann das Druckverhältnis des Kompressors verändert werden.
Wenn die Maschine als Expansionsmaschine verwendet wird, so tritt gasförmiges Arbeitsmedium unter Druck durch den Hochdruckkanal 36 und den Hochdruckdurchlass 32 in den Arbeitsraum und füllt die dem Hochdruckdurchlass 32 zugekehrten Teile der Rotornuten. Die Rotoren 12,16 werden dabei derart in Umlauf versetzt, dass sich der Eingriffspunkt zwischen den Kämmen 14 und 18 in Richtung zur niederdruckseitigen Abschlusswand 26 verschiebt, wobei die durch die kommunizierenden Teile je zweier Nuten gebildeten Expansionskammern vergrössert werden. Während des Umlaufs der Rotoren 12 und 16 passieren die Kämme 14 und 18 die Ränder des Hochdruckdurchlasses 32, so dass die Expansionskammern dann vollkommen geschlossen und vom Hochdruckkanal 36 abgetrennt sind.
Das Arbeitsmedium wird dann so lange expandiert, bis die Kämme 14 und 18 die Ränder des Niederdruckdurchlasses 30 passieren und ihr Ein- griffspunkt die niederdruckseitige Abschlusswand 26 erreicht. Durch die axiale Verstellung des Schiebers 46 werden auch die Ränder des Hochdruckdurchlasses 32 verschoben, und in Abhängigkeit von dieser Verstellung erfolgt der Abschluss der Expansionskammern vom Hochdruckkanal 36 jeweils bei einem anderen Eingriffspunkt zwischen den Kämmen 14 und 18, d. h. bei einem anderen Volumen der Expansionskammern.
Auf diese Weise kann die Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums eingestellt und damit die Leistung der Maschine verändert werden. Gleichzeitig wird auch das Druckverhältnis in der Maschine verändert, und es kann daher insbesondere die Maschine derart eingestellt werden, dass ihr Druckverhältnis mit dem tatsächlichen Druckverhältnis ausserhalb der Maschine übereinstimmt und somit der Expansionsvorgang in der wirkungsvollsten Weise stattfindet.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform einer Schraubenradmaschine nach der Erfindung weist einen axial verstellbaren Schieber 54 auf, der auf der gleichen Seite einer die Achsen der Rotoren 12 und 16 enthaltenden Ebene wie der Niederdruckdurchlass 30 liegt und über die hochdruckseitige Abschlusswand 28 hinausragt. Der Schieber 54 ist an einer Führung 56 gelagert und kann mit Hilfe einer Stange 58 in axialer Richtung verstellt werden. Er weist zwei einander schneidende, gegen die Rotoren 12 und 16 abdichtende Zylinderflächen auf (vgl. die Fig. 3 und 4). In der hochdruckseitigen Abschlusswand 28 ist wieder eine Dichtungsplatte 60 angeordnet, deren Profil jenem des Schiebers 54 angepasst ist.
Eine derartige Maschine kann als Kompressor verwendet werden, wobei die Verbindung zwischen dem Niederdruckkanal 34 und dem Arbeitsraum so lange durch den Schieber 54 unterbrochen werden kann, bis der Eingriffspunkt zwischen den Kämmen 14 und 18 die hochdruckseitige Abschlusswand 28 erreicht hat. In diesem Falle wird das Arbeitsmedium zuerst expandiert und dann vor dem Austreten aus dem Hochdruckdurchlass 32 komprimiert. Auf diese Weise kann die Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums geändert werden.
In den Fig. 3 und 4 ist eine dem Beispiel nach Fig. 2 ähnliche Ausführungsform einer erfindungsgemä- ssen Schraubenradmaschine dargestellt. Der Unterschied liegt nur im Profil des Schiebers 62 und in dessen Lagerung, da der Schieber 62 direkt im Gehäuse 20 gelagert ist. Die Arbeitsweise der Maschine gleicht aber genau jener der Maschine nach Fig. 2.
In den Fig. 5 und 6 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schraubenradmaschine mit mindestens zwei getrennten, axial verstellbaren Schiebern dargestellt. Alle diese Schieber sind auf der gleichen Seite der die Achsen der Rotoren 12 und 16 enthaltenden Ebene wie der Hochdruckdurchlass 32 angeordnet. Ein den Hochdruckdurchlass 32 regelnder Schieber 64 ist längs der Verschneidungslinie der Bohrungen 22 und 24 angeordnet und ragt über die niederdruckseitige Abschlusswand 26 hinaus. Zwei weitere, die Verbindung zwischen dem Arbeitsraum und dem Niederdruckkanal 34 regelnde Schieber 66 und 68 sind anlängsweise verlaufenden Umfangszonen der Rotoren beidseits des erstgenannten Schiebers 64 angeordnet und ragen über die hochdruckseitige Abschlusswand 28 hinaus.
Die Schieber 64,66 und 68 sind mit Hilfe von zugeordneten Stangen 70,72 bzw. 74 in axialer Richtung verstellbar.
Die Maschine arbeitet als Kompressor in folgender Weise : Mit Hilfe der seitlichen Schieber 66 und 68 wird die Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums in der Weise verändert, dass während des ersten Teiles des Kompressionsvorganges in der Maschine unkomprimiertes Arbeitsmedium
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in den Niederdruckkanal 34 entweichen kann. Sobald die Schieber 66 und 68 vollkommen geschlossen sind, wird jedes Entweichen von Arbeitsmedium verhindert und die Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums ist am grössten. Der mittlere Schieber 64 hat die gleiche Funktion wie der Schieber 46 der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform.
Als Expansionsmaschine arbeitet die Maschine auf folgende Weise : Der mittlere Schieber 64 hat die Funktion wie der Schieber 46 der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform. Durch Öffnen der seitlichen Schieber 66 und 68 ist es aber ausserdem möglich, das Druckverhältnis der Maschine ohne Änderung der Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums zu ändern.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schraubenradmaschine sind zwei getrennte, axial verstellbare Schieber 76 und 78 vorgesehen, die an den gegenüberliegenden Seiten einer die Achsen der Rotoren 12 und 16 enthaltenden Ebene liegen. Der Schieber 76, der auf der gleichen Seite dieser Ebene wie der Hochdruckdurchlass 32 liegt, ragt über die niederdruckseitige Abschlusswand 26 hinaus. Er ist an einer Führung 80 gelagert und kann mit Hilfe einer Stange 82 axial verstellt werden. Der andere Schieber 78, der auf der gleichen Seite der erwähnten Ebene wie der Niederdruckdurchlass 30 liegt, ragt über die hochdruckseitige Abschlusswand 28 hinaus, ist an einer Führung 84 gelagert und kann axial mit Hilfe einer Stange 86 verstellt werden.
Diese Ausführungsform der Erfindung stellt eine Kombination der in Fig. 1 und in Fig. 2 gezeigten Bauweisen dar.
Die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform einer Schraubenradmaschine nach der Erfindung weist zwei getrennte, axial verstellbare Schieber 88 und 90 auf, die an einer gemeinsamen Führung 92 gelagert sind und auf der gleichen Seite der die Achsen der Rotoren 12 und 16 enthaltenden Ebene liegen wie der Hochdruckdurchlass 32. Der Schieber 88 ragt über die niederdruckseitige Abschlusswand 26 hinaus und ist mit Hilfe einer Stange 94 verstellbar. Der Schieber 90 ist zwischen dem Schieber 88 und dem Hochdruckdurchlass 32 angeordnet und mit Hilfe einer Stange 96 verstellbar.
Die Maschine arbeitet als Kompressor auf folgende Weise : Wenn zum Anlauf mit einem direkt gekuppelten Antriebsmotor oder im Leerlauf nur eine geringe Leistungsaufnahme des Kompressors erwünscht ist, so wird der Schieber 88 ganz durch die niederdruckseitige Abschlusswand 26 (nach links in Fig. 8) gezogen, so dass er keinen r1er Rotoren abdichtet und jene Teile der Rotoren, die links vom Schieber 90 liegen, mit dem Niederdruckkanal kommunizieren.
Infolgedessen kann, da der vom Schieber 90 verdeckte Teil der Rotoren 12 und 16 relativ klein ist, im Anfangsteil des Kompressionsvorganges unkomprimiertes Arbeitsmedium vom Arbeitsraum zurück in den Niederdruckkanal entweichen. Die Kompression findet nur zwischen den linken und rechten Kanten des Schiebers 90 statt. Daher ist sowohl die die Maschine durchsetzende Menge des Arbeitsmediums als auch das Druckverhältnis der Maschine klein, so dass die aufgenommene Leistung sehr gering ist. Wenn die beiden Schieber 88 und 90 einander berühren, arbeiten sie in der gleichen Weise wie der Schieber der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform.
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schraubenradmaschine, die Rotoren mit gegenläufigen Abschnitten von schraubenförmigen Kämmen und zwei axial verstellbare Schieber 98 und 100 aufweist, welche an einer gemeinsamen Führung 102 gelagert sind und auf der gleichen Seite der die Achsen der Rotoren 12 und 16 enthaltenden Ebene wie der Hochdruckdurchlass 32 liegen. Die beiden Schieber 98 und 100 werden synchron, aber gegenläufig mit Hilfe zugeordneter Stangen 104 und 106 verstellt.
Diese Ausführungsform hat die gleiche Arbeitsweise wie jene nach Fig. 1.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschränkt, vielmehr lässt sie noch verschiedene, dem Fachmann ohne weiteres erkennbare Abwandlungen zu.
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