Fluidum-Rotationsmaschine. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, eine Fluidum-Rotationsmasehine der Ver drängungslappen aufweisenden Bauart, zum Beispiel eine Pumpe oder ein Motor.
Die Erfindung ermöglicht, eine Maschine der genannten Art zu schaffen, die sowohl bei hohen als auch bei niedern Drücken mit gutem Wirkungsgrad arbeitet, die einen ruhigen Lauf besitzt und die billiger in der Herstel- lang' ist als bekannte Maschinen dieser Art.
Die erfindungsgemässe Rotationsmasehine besitzt mehrere in einem Gehäuse angeordnete Rotoren, wobei jeder Rotor wenigstens einen Verdrängungslappen aufweist, der mit. wenig stens einem benachbarten, in eirtgegengesetz- ter Richtung umlaufenden Rotor zusammen wirkt.
Diese 1Tasehine ist dadurch gekenn zeichnet, dass wenigstens einer der Rotoren eine Längsausnehmung und eine neben einem Verdrängungslappen angeordnete radiale Aus- nehmung- besitzt, die wenigstens zeitweise mit der Län.saLtsnehmung und mit dem Arbeits raum der Maschine in Verbindung steht, wo bei die kleinste Breite der radialen Ausneh- inung, in LTmfangsriehtung gemessen, grösser ist als die Höhe des vorübergehend in diese Ausnehmung einzugreifen bestimmten Lap pens eines benachbarten Rotors.
An Hand der beiliegenden, teilweise sche matischen Zeichnung sollen einige wenige Aus führungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes näher erläutert werden; es zeigen: Fig. 1 bis 4 Querschnitte durch einen Kompressor in vier verschiedenen Arbeits stellungen, , Fig.7 ein pV-Diagramm dieses Kompres- sors, Fig. 6 in grösserem Massstab eine.
Einzelheit teilweise im Schnitt, Fig.7 einen Teil-Riadialschnitt, der einen Verdrängungslappen erkennen lässt, Fig.8 bis 11 verschiedene Ausbildungen des Rotors, der Lager und Kanäle, Fig. 12 und 13 Einzelheiten von Steuer organen, Fig. 14 ein Beispiel mit zwei Rotoren mit je zwei Lappen, Fig. 15 und 16 Ausführungen mit drei Ro toren, Fig. 17 ein Beispiel mit Rotoren unglei- eher Grösse,
Fig. 1$ ein Beispiel mit Mitteln zum Ein stellen eines beweglichen Steuerorganes, Fig. 19 ein Beispiel mit. Mitteln zum auto matischen Einstellen der Steuerorgane und Fig.20 und 21 Beispiele, deren Gehäuse Öffnungen für den Einlass des Arbeitsmittels aufweist..
Die Fig.1 bis 4 zeigen schematisch das Arbeitsspiel eines Kompressors mit zwei Ro toren, wovon jeder einen einzigen Lappen aufweist. Der Innenraum des Gehäuses 1 be sitzt im Querschnitt die Form einer 8, ähnlich wie bei einem Rootsgebläse. Die Rotoren a und b sind zwei hohle, je mit einem Lappen 2 bzw. 3 versehene Zylinder, die im Gehäuse 1 rotieren und durch ein Getriebe so mitein ander verbunden sind, dass sie mit. gleicher Drehzahl, aber in zueinander entgegengesetz ten Richtungen antreibbar sind, und zwar über zwei äussere, nicht gezeichnete Zahnräder.
Je der Zylinder besitzt, wie erwähnt, einen Lap pen 2 bzw. 3, der in den fraglichen Stellun gen bis zur Innenseite des Gehäuses reicht. Die Zylinder besitzen je einen Schlitz J bzw. 5, der auf der Vorderseite des Lappens 3 des Auslassrotors b bzw. auf der Rückseite des Lappens 2 des Einlassrotors a angeordnet ist, wobei jeder Schlitz an der engsten Stelle, in der Umfangsrichtung gemessen., breiter ist als die von der Aussenseite des Rotors weg gemessene radiale Höhe der Lappen, so dass der Durchgang der letzteren durch die Schlitze bei jeder Umdrehung gewährleistet ist.
Die Schlitze J, 5 führen in die axiale Innenaus- nehmung 6 bzw. 7 der Zylinder und dienen als Luft-Einlass- bzw. Auslassöffnung. Am einen oder an beiden Gehäuseenden sind Lei tungen angeordnet, die mit den Innenausneh- mungen der Rotoren verbunden sind.
Da die Innenausnehmung des Auslassrotors im Quer schnitt. kreisförmig und konzentrisch zum Rotor ist, kann ein stationäres kreisbogen förmiges Steuerorgan 8 eingebaut. sein, das den vor dem Öffnen der Auslassöffnung 5 er reichten Kompressionsgrad bestimmt.
Ander seits kann auch ein automatisch sich verstellen des Steuerorgan vorgesehen sein, das die Aus lassöffnung erst, öffnet, wenn der Kompres sionsdruck etwas höher ist. als der Druek in der Auslassleitung. Ist kein Steuerorgan vorgesehen, so kann die Höhe des Lappens so gewählt sein, dass seine Aussenkante über die Innenfläche des Gehäuses in die Innenausnehmung des be nachbarten Rotors hineinragen kann; andern falls ist der Lappen von solcher Höhe, dass beim Durchgang desselben durch den Schlitz bzw. 5 seine Aussenkante an derjenigen Stelle, die auf der Verbindungslinie der Zentren der beiden Rotoren liegt, annähernd bis zur äussern Begrenzung der Innenausnehmung des benachbarten Rotors reicht.
Die Fig. 1 bis -I stellen vier einzelne Phasen des Arbeitsspiels dar.
Fig.1 zeigt die Verhältnisse unmittelbar vor Beginn der Kompressionsperiode. In die sem Augenblick ist. das ganze Gehäuse mit Luft von atmosphärischem Druck gefüllt und die Lappen sind im Begriff, miteinander in vorübergehenden Dichtungseingriff zu kom men (das heisst mit einem :Spiel von einigen Hundertstelzentimeter). Jedes Rotieren der Rotoren über die entsprechende Stelle hinaus verringert das Volumen des Arbeitsraumes zwisehen den Vorderseiten der Lappen, wobei die Luft komprimiert wird. Das Steuerorgan 8 verhindert das Entweichen von Luft durch die Auslassausnehmling 7.
So wie das Volumen vor den Lappen abnimmt, nimmt das Volumen hinter den Lappen zu, wobei dureh den Einlass- raum 6 eine frische Luftlaclun- angesaugt wird.
Die Kompression erfolgt so lange, bis der verlangte Druck erreicht ist, wobei, wie in Fig.2 gezeigt, die Auslassöffnung 5 öffnet. Die komprimierte Luft. wird dann ausgestossen, bis die in Fig. 3 gezeigte Stellung erreicht. ist.
Von diesem Moment an bis zur Stellung nach Fig. J und über diese Stellung hinaus bis zur Beendigung des Arbeitsspiels in die in Fig. 1 gezeigte Stellung zurüek (Tot periode), erfolgt keine Volumenänderung mehr, so dass die Auslassöffnung geschlossen werden kann und das Ausstossen beendet ist.
Auf der Einlassseite hingegen bewirken die Öffnungs- und Leitungsverluste eine Drucksenkung am Einlass und dies wird da durch wieder ausgeglichen, dass die Einlass- öffnung während dieser Tot.periode offen gelassen wird. Dieses Merkmal bringt zwei Vorteile mit sieh.
Einmal kann die Einlass- öffnung während des ganzen Arbeitsspiels of fen gelassen werden, und ein Einlass-Steuer- organ ist somit überflüssig, und zweitens fallen alle Verluste, die durch die Öffnungs- und Schliesszeit eines solchen Organes bewirkt würden, weg.
Das Arbeitsspiel soll uni folgenden an Hand des pV-Diagramms in Fig. 5 näher erläutert werden. Bei Punkt r1 beginnt. der Lufteinlass, wobei die Einlassgesehwindigkeit bis zum Punkt R zunimmt.. Das wirksame Verdrän gungsvolumen der Lappen wird hierbei unter Abdecken des Einlasslappens durch den Aus lasslappen vergrössert. Vom Punkt l3 an be sitzt die Einlassströmung konstante Geschwin digkeit und somit ist der Einlass-Unterdruck konstant.
An der Stelle C kommen die Lappen in Dichtungseingriff miteinander, und da hier auf das wirksame Verdrängungsvolumen der Lappen verkleinert wird, nimmt der Einla.ss- Unterdruck ab. Nach beendetem Ansaugen wird der Einlass-Unterdruck während der ob- genannten Totperiode aufgehoben und der Druck kann zufolge des Zentrifugalladeeffek- tes der Einlassöffnung und der Schwingungs- wirkiing in der Einlassleitung zu Beginn
der Kompression sogar über den Atmosphären druck steigen. An der Stelle D, an der atmo sphärischer Druck At angenommen ist, ist eine ganze Umdrehung vollendet und die Luft befindet sich nun auf der Kompressionsseite der Lappen. Bis zu Punkt. E erfolgt nun Kom pression auf den Druck De, an welcher Stelle die Auslassöffnung sieh öffnet, und da die Öffnungsgeschwindigkeit relativ gross ist, steigt der Druck zwischen den Punkten E und F nur wenig, bis er an der .Stelle F den zum Ausstossen der Luft durch die Auslass öffnung vorgesehenen konstanten Wert an nimmt.
Zwischen den Punkten G und H be wirkt die Verkleinerung des wirksamen Ver drängungsvolumens der Lappen eine Verklei- nerun;# der Ausströmgesehwindigkeit, bis sie -Null wird und sich die Auslassöffnung schliesst (Fig.3). Zwischen den Punkten H und J wird die kleine Luftmenge im toten Raum zwischen dem Einlasslappen und dem Auslass-Steuerorgan der Einlassluft zugeführt.
Das Volumen im Punkt z1 soll dem toten Volumen in der Einlassöffnung entsprechen und da dieses Volumen von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel mitgeführt wird, kann es v er nachlässigt werden. Ein Merkmal, das aus dem pV-Diagramm nicht ersichtlich ist, dagegen aus Fig. 1 ent- nommen werden kann, besteht darin, dass die Kompression beginnt, bevor die Verbindung der Einlassöffnung mit dem Kompressions raum unterbrochen ist.
Dies wird durch die Betriebsgeschwindigkeit ermöglicht, da nach der Zeit, nach welcher die Druckzunahme an der Einlassöffnung wirksam werden würde, die Hinterkante dieser Öffnung die Ebene, in der die Rotorachsen liegen, überschritten hat. und der Kompressionsraum hinten abge schlossen ist. Wenn zum Beispiel die Lappen geschwindigkeit gleich ein Zehntel der Schall geschwindigkeit ist, so dreht sich der Rotor um eine Zehntelsumdrehung, das heisst um 36 , währenddem die Kompressionsdruck welle eine ganze Rotorumdrehung durchlaufen würde.
Jede Herabsetzung des toten Volumens in der Auslassöffnung am Ende der Kom- pression bewirkt eine Erhöhung des Wir- kungsgrades des Arbeitsspiels, da damit eine Herabsetzung des Volumens der in die Ein lassluft abgegebenen Heissluft erzielt wird. Dieses Volumen kann auf einen sehr kleinen Wert herabgesetzt werden, wenn die Lappen und Öffnungen, wie im folgenden beschrie ben, geformt werden.
In seiner-einfachsten. Ausführung bildet die der Öffnung 4 bzw. :) abgekehrte Aussenseite des Lappens eine kon vexe Bogenfläche, während seine gegenüber liegende konkave Seite dem Weg des andern Lappens entsprechend ausgebildet ist. Die konvexe Fläche des Einlasslappens (Lappen des Einlassrotors) ist abgerundet, damit sie an der vordern Aussenkante der Auslassöffnung vorbeigehen kann.
Der Auslasslappen (Lappen des Auslassrotors) kann auf Grund anderer Überlegungen geformt sein, das heisst zum Beispiel aus Wirtschaftlichkeitsgründen gleich wie der Einlasslappen, oder so, dass während der 'Totperiode ein guter Lufteintritt gewähr leistet ist, oder dass zur Ausbalancierung des Rotors eine bessere Massenverteilung erreicht wird. Diese Ausbildungsart eignet sich be sonders bei kleinen Druckverhältnissen; bei hohen Druckverhältnissen dagegen ist es vor teilhaft, das Totvolumen kleiner zu halten.
Gut abgerundete Kanten an der Auslassöf_f- nung, wie bei 9 und 10 in Fig. 6 gezeigt, er höhen den Ausflusskoeffizienten d er Öffnung, so dass die Öffnung selbst kleiner sein kann als bei geraden und scharfen Seitenkanten. Um dem gekrümmten Rand 9 folgen zu kÖn- nen, muss der Einlasslappen 2 eine breitere Basis besitzen, da die Winkel a (Fug. 6) gleich sein müssen.
Wenn bei einer speziellen Ausfüh rung der Scheitel des Lappens 2 einen be trächtlichen Abstand vom Auslass-Steiierorgan 8 erhalten würde, dann ist. eine weitere Herab setzung des Totraumes durch Vergrösserung des Aussendurchmessers des Lappens, wie dies in Fig. 6 an der Stelle 12 gezeigt ist, möglich. Dies bedingt jedoch eine grössere Gehäuseaus- nehmung auf der Einlassseite und das Ab schneiden der hintern Kante des Lappens 2, wie bei 13 in Fig. 6 gezeigt, um den Durch gang des Auslasslappens zu gestatten.
Die Vorderkante 14 des Lappens 2 ist abgerundet, um ein Vorbeigehen am Steuerorgan zu er möglichen. Zufolge der genannten Ausbildung kann das Totvolumen auf mehr als 1,1200 des bestrichenen Volumens verkleinert werden, wobei immer noch genügende Öffnun-squer- schnitte vorhanden sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der breitere Lappen des Einlassrotors zum Ausgleichen des Gewichts verlustes durch die grosse Einlassöffnung bei trägt.
Ist mehr als ein Lappen pro Rotor vor gesehen, wird die Luft aus dem Totranm in den nachfolgend noch erwähnten herumge führten Raum ausgestossen, bevor die Kom- pression in diesem Raum beginnt..
Die Leckluft, die aus dem Kompressions raum an den Kanten der Lappen vorbei in den Einlassraum gelangt, setzt den Wirkung _IS- grad des Arbeitsspiels herab; diese Verluste werden aber stark herabgesetzt., wenn ein anderer Leckweg in die Atmosphäre vorhan den ist. Dies wird dadurch erreicht, dass rund um jeden Lappen ein Schlitz 15 - vergleiche Fig.6 und 7 - geschnitten wird, der mit Öffnungen in den Endplatten des Gehäuses in Verbindung steht.
Diese Öffnungen kön nen auch dazu dienen, Luft, die sonst an den Rotorenden vorbei entweichen würde (Fug. 7), abzulassen. Bei einer bevorzugten Ausfüh- rung gemäss Fig. 6 und 7 ist unter der Rand fläche des Lappens ein Hohlraum 16 vorge sehen, der durch einen engen Schlitz 15 in die Randfläche mündet. Dieser Schlitz genügt zur Abführung von Leckluft, ist jedoch nicht so gross, dass\während der Eingriffsperiode der Lappen eine grössere Luftmenge entwei chen kann.
Der genannte Hohlraum unter halb des Schlitzes besitzt genügenden Quer schnitt, dass Leekluft ohne Erzeugung von übermässigem Gegendruck entweichen kann.
Da die warme Leekluft den Wirkungs grad des Arbeitsspiels senkt, kann beispiels weise auch kalte, komprimierte Luft oder ein anderes Fluidum durch den Schlitz in den Arbeitsraum geblasen werden, so dass der Schlitz während der Kompression mittels nie dergespannter Luft oder dergleichen abge schlossen ist. Auf diese Weise kann auch eine gewisse Kühlung des Arbeitsprozesses erreicht werden. Ist pro Rotor mehr als ein Lappen vorhanden, entweicht. die Leckluft bzw. die zugeführte Kaltluft in das nachfolgende, herumgeführte Volumen und ist. demzufolge nicht. verloren.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur An ordnung und Lagerung der Rotoren und drei davon sollen im folgenden kurz erwähnt wer den.
Die erste und einfachste, in Fig.8 dar gestellte Art, ist der fliegend angeordnetes Rotor. Dies ergibt eine sehr einfache Kon struktion, die keine Leitungen erfordert., je doch müssen die Rotoren kurz sein und der Abstand der Lager der Rotorwelle sollte gross sein. Eine bessere Lagerung der Ro toren kann dadurch erreicht -erden, dass die Rotorwelle durch die Innenausnehmung hin durch zu einem Aussenlager geführt wird (Fig.9), wobei jedoch Leitungen notwendig sind.
Um eine kontinuierlielle Luftförderung zu erhalten, können zwei Rotoren gemäss Fig. 7.0 Rücken gegen Rücken angeordnet sein, wobei ihre Lappen um 180 zueinander ver setzt sind.
Mit dieser Ausbildung kann eine kontinuierliche Luftförderung- erreicht wer den bei Drücken von der Grössenordnung <B>1,75</B> kg/cm ; dies ergibt ferner ein glatteres Antriebsmoment und kleinere Lagerbelastun gen. IIolilräume, welche mit dem Auslasskanal verbunden sind, gleichen die Strömung durch die Endleitungen aus, so dass die Auslassv er luste vermindert werden. Als weitere Variante können zwei Rotoren gemäss Fig.11 fliegend angeoi-clnet sein.
Entsprechend dieser Fig. 10 sind die Rotoren einer von zwei Einzelmaschinen an den einen Enden mehrerer Wellen an-eord- net., deren andere Enden die Rotoren der an dern Einzelniasehine tragen. Hierbei ist zwi- sehen den Rotorsätzen dieser Einzelmaschinen je ein Satz von Wellenlagern und von die Wellen miteinander kuppelnden Getriebe rädern vorgesehen.
Bei den in den Fig. 9 und 10 dargestellten Beispielen können die Zii- und Ableitungen annähernd sehneckenförinige Diffusoren sein, welehe die Luft in der Rotationsriehtung der Rotoren sammeln bzw. abgeben. Vorwirbel- oder Richtsehaufeln können in der Mündung des Auslass- und Einlass-Hohlraumes ange bracht sein, um die Luftströmung zu ver bessern.
Das Steuerorgan ist im Gehäuse 1 ange ordnet., wobei geringes Spiel zwischen dein Steuerorgan und der Rotor-Innenseite belas sen ist. Das 'Steuerorgan kann die Form eines rilatten. Bogenstüekes besitzen, oder es kann an der Aussenseite mit Zähnen 17 versehen sein, die eine bessere Luftdichtung (Fig.12) er geben.
Gemäss Fig. 13 ist das Steuerorgan 19 ein stellbar, wobei zwischen ihm und dem Rotor eine zum Teil als Gitter 1,8 ausgebildete Hülse angeordnet ist. Die Stellung dieses drehbaren, kreisbogenförmigen Organes 19 bestimmt den Punkt, an welchem die Auslassöffnung eröff net wird. Es kann von Hand oder automatisch einstellbar sein, um zu gewährleisten, da.ss der Kompressor bei jedem jeweiligen Auslassdruck mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet.
Ein weiteres solches Beispiel wird später noch einmal erwähnt werden.
Fig. 14 zeigt ein Beispiel mit zwei Lappen pro Rotor. Aus dem Raum X erfolgt das Ausstossen komprimierter Luft, in den Raum Y wird eine frische Luftladung angesaugt, und im Raum Z wird die vorangehend ange saugte Luftladung eingeschlossen und zwi schen, den Lappen weitergeführt. Unter die sen Umständen bewirkt. Hochdruck-Leckluft, die an den Lappen vorbei entweicht, eine Druckerhöhung in der im Raum Z herumge führten Luftladung, bevor die Kompression in diesem Rainas beginnt.
Ferner bewirkt der Wärmeübergang von den Metallflächen eine Temperaturerhöhung der in den Räumen Z befindlichen. Luft, die zufolge der Wärme aufnahme diese Fläche kühlt, was die Gefahr eines Verziehens dieser Fläche verringert. Zufolge dieser Ausbildung entspricht das Totalvolumen der Einlasszone während jeder Umdrehung viermal dem Raum Z und ist zudem grösser als die bei Verwendung nur eines Lappens pro Rotor erreichbar wäre.
Die grössten Verluste bei Kompressoren, die zwischen den Arbeitsstellen Spiel aufwei sen, stammen von Leckverliussten her, in diesem Fall von Leckverlusten bei den Lappen und zwischen den die Lappen tragenden Zylindern. Zufolge der Abrollwirkung ist das Spiel zwi schen den Zylindern sehr klein, jedoch muss zwischen den Lappen und dem Gehäuse ge nügend Spiel vorhanden sein. Die Ausbildung mit zwei Lappen pro Rotor hat den grossen Vorteil, dass diese Leckverluste eine erste Kompressionsstufe bewirken.
Während des Hauptteils der Druckperiode des Arbeitsspiels gelangt nämlich die Leckluft an den Lappen vorbei in den abgeschlossenen Raum der nächsten Kompressionsperiode und erhöht so mit den Druck in diesem Raiun. Das Ein schliessen dieser Leckluft ist doppelt vorteil haft, da sie nicht mit der Einlassluft ver mischt werden kann. Wenn eine solche Ver mischung stattfinden würde, würde die Tem peratur der Einlassluft steigen und demzu folge auch die Kompressionsarbeit. und die Auslasstemperatur.
Ein zweites Merkmal der Arbeitsperiode, während welcher Luft im Raume Z herumge führt wird, liegt, wie bereits angedeutet, darin, dass Frischluft mit den während der vorangegangenen Kompression erwärmten Me- tallwänden in Berührung kommt.. Dies hat zur Folge, dass die Gefahr des Verziehen, unter Wärmeeinfluss, was immer ein ernstes Problem bei Kompressoren der Verdränger- bauart ist, stark vermindert wird.
Die Ein wirkung dieses Wärmeaustausehes auf den Wirkungsgrad des Arbeitsspiels kann vernach lässigt werden. Dem Druelzgewinn durch Vor- wärmnnu der Ladung bei konstantem Volu men und dem Vorteil der Kühlung durch die gekühlten Wände während der Kompres sion steht der erhöhte Arbeitsaufwand beim Komprimieren der Ladung bei grösserer An fangstemperatur entgegen.
Die volumetrisehe Verdrängung" der 11a sehine mit zwei Lappen pro Rotor ist. gleich viermal das herumgeführte, eingeschlossene Volumen pro Umdrehung, abzüglich des zwi schen den Lappen vorhandenen Totv olumens, und ist ferner grösser als der ganze Ring-.
raum der Maschine mit einem Lappen pro Rotor, und zwar um etwa 10 %. Um diese Vergrösserung voll ausnützen zu können, ist. es zweckmässig, entsprechend Fig. 19 in der in- nern sauseitigen Ecke des Gehäuses 1 Öff nungen 1' anzubringen, um die Lappen in der in Fig.19 gezeichneten Lage umgehen zu können.
Dies ermöglicht das Weiterfüllen; des rechten Raumes mit Luft, sobald die vordere Aussenkante des Lappens des Einlassrotors sieh aus diesem Raum entfernt. Ähnliche Umge- hungsöffnungen können in der obern Gehäuse eeke zum Ausgleiehen der kleinen Driiekdiffe- renz, die zu Beginn der direkten Kompres sion auftritt, vorgesehen sein.
Der Wert dieser Öffnungen wird mit steigendem Auslass- druck geringer, da das Auslass-Steuerorgan erst einige Zeit nach dem Verbinden der bei den Zonen öffnet-; die kleine Unebenheit zu Beginn der Kompression hat nur einen v er- nachlässigba.ren kleinen Einfluss auf den Ge samtwirkungsgrad. Das Umgehen der beiden scharfen Ecken durch Öffnungen verbessert die Luftströmung im Gehäuse und vermin dert somit die Einlass- und Auslassv erluste.
Im Einlassrotor (Fig.14) ist ein Steuer organ 8' notwendig, um während des ersten Teils der Kompression die Kompression-s- tone abzudichten, und das Steuerorgan er streekt sieh über etwa 180 , um den herum geführten Raum abzuschliessen und so die Bildung einer Leekkompression zu ermög lichen. Da die Einlassperiode nur während einer halben Rotorumdrehung dauert, kann dieses Steuerorgan keine merkliche Herab setzung .des Wertes: Öffnungszeit X Quer schnitt bewirken.
Der vom Auslass-Steuerorgan eingenom mene Bogen ist viel grösser als bei der Ma schine mit mir einem Lappen pro Rotor, und da die Üffnungsgesehwindigkeit gleich der Sehliessgeschwindigkeit ist., wird der Wert: Zeit X (Auerschnitt der Auslassöffnung ver mindert.
Die Verkleinerung ist bei geringem Druck nicht gross; sie kann jedoch den er- reiehbaren llaxirnaldruek kleiner machen als denjenigen der Masehine mit einem Lappen pro Rotor.
Ein Rotor mit zwei Lappen und zwei Öff nungen, die je einander diametral gegenüber liegen, kann vollständig ausbalaneiert sein. Dies ist besonders von Vorteil, da es svnrme- trisehe Beanspruchung ergibt.
Die Tatsache, dass keine Ausgleiehsausnehmungen notwen dig sind, ergibt grössere Freiheit für den Kon- strukteur und ermöglicht grössere Lappen, Öffnungen und Rotorausnelrmungen. Die bei den Arbeitsspiele pro Umdrehung verhindern die Grösse der :Änderungen des Antriebs momentes, so dass keine Rotor-Sehwungrad- wirkun- notwendig, ist und Leiehtmetallegie- rungen@verwendet werden könnten.
Bei gerin gen Drücken ist die Luftförderung annähernd kontinuierlich und die Förderung erfolgt wäh rend des grössten Teils des Arbeitsspiels mit konstanter Geschwindigkeit.
Drei Zweilappeurotoren in einer Linie nebeneinander angeordnet, ergeben vier Ar beitsspiele pro Umdrehung, vergliehen mit nur zwei Arbeitsspielen bei zwei Zweilappenroto- ren. Diese Ausbildung hat aber den Nachteil, dass die Kompression beint Rotieren der Ro toren spät beginnt, zufolge der Unvollstän digkeit der Versehalung des mittleren Rotors.
In diesem Fall beginnt die Kompression erst, wenn die Lappenseheitel jeweils an den Berüh. rungsstellen zweier Gehäuseausnehmungen vorbeigehen. Abgesehen vom erhöhten Ver drängungsvolumen besitzt diese Ausführung den Vorteil, dass der mittlere Rotor bezüg lich der 1)ruekbeanspruchung der Lager aus balanciert ist.
Der Hohlraum dieses Rotors wird entweder als gemeinsamer Auslass- oder als gemeinsamer Einlassraum benützt., je nach der jeweiligen Drehrichtung. Im letzteren Fall ist es vorteilhaft, das Einlass-Steuerorgan wegzulassen und den Hohlraum grösser zu machen als denjenigen der einzelnen Auslass- rotoren, um die Verluste zu vermindern, die beim Durchsatz des grösseren Luftvolumens auftreten.
Der für eine Kompressions- und Auslass- periode notwendige Bogen wird mit steigen der Lappenzahl kleiner, und wenn drei Lap pen pro Rotor vorgesehen sind, so kann eine Dreilappenmaschine 2 X 3 (2 Rotoren zu 3 Lappen) derart ausgebildet sein, dass sie annähernd das gleiche Arbeitsspiel ergibt wie die Zweilappenmaschine (2 X \?)
mit Aus nahme der Herabsetzung der Leekkompres- sionsperioden. Eine solche 3laschine kann den Wettbewerb mit einer 2 X 2 -i#laschine gut aufnehmen, wobei die grössere Verdrängung pro Umdrehung die geringere Drehzahl kom pensiert, die zur Erreichung gleicher Werte für Öffnungszeit X Querschnitt notwendig ist. Sowohl Aussen- und Innenrotoren können den Auslassraum enthalten, je nach der Dreh riehtung, wie dies in den Fig. 15 und 16 dar gestellt- ist.
Ein vorteilhaftes Merkmal des Beispiels gemäss Pig.16 besteht darin, dass der einzige Auslassraum im mittleren Rotor fähig ist, die alternierenden Förderperioden ohne merkliche Interferenz aufzunehmen.
Es können auch mehr als drei Lappen pro Rotor verwendet werden, was jedoch eine Verkleinerung des Wertes: Öffnungszeit X Querschnitt zur Folge hat. Die einzelnen Rotoren können auch eine verschiedene An zahl Lappen besitzen, vorausgesetzt, dass die (tetrieberäder eine der Zahl der Lappen der zugehörigen Rotoren entsprechend propor tionale Zähnezahl aufweisen. Die Länge des Mittelbogens des Gehäuses kann vergrössert werden, indem der mittlere Rotor einen grö sseren Durchmesser aufweist als die Aussen rotoren. Bei einer geeigneten Ausbildung sind an den Aussenrotoren zwei und am mittleren Rotor drei Lappen vorgesehen.
Dies ermög licht, so grosse Öffnungsquerschnitte vorzu sehen, wie bei einer normalen 2 X 2 1VIa- schine.
Fig. 17 zeigt ein solches Beispiel mit drei Rotoren, von denen der Mittlere drei und die beiden äussern zwei Lappen besitzen. Der Ein lassraum 6 ist im mittleren Rotor vorgesehen, während der Austritt über die Ausnehmun- gen 7 in den Aussenrotoren stattfindet. Ein Getriebe ist vorgesehen, über welches die Aussenrotoren und der Mittelrotor mit ent sprechenden Drehzahlen antreibbar sind.
Es ist nicht unbedingt nötig, die Axe des dritten oder weiterer Rotoren in der gleichen Ebene wie die Axen der beiden andern Ro toren anzuordnen. Dies hat zur Folge, dass, wenn wenigstens drei Lappen pro Rotor ver wendet werden, weitere Rotoren bis zur Bil dung eines vollständigen Ringes hinzugefügt werden können. Eine solche Maschine arbeitet nur, wenn eine gerade Anzahl Rotoren zur Aufrechterhaltung der richtigen Rotations richtung vorhanden sind. Andere geometrische Anordnungen können getroffen werden, wenn entsprechende Sätze von ineinandergreifenden Zahnrädern vorgesehen sind.
Die kleineren Öffnungsquerschnitte bei mehr als zwei Lappen pro Rotor machen es vorteilhaft, die Öffnungen rascher zu öffnen und zu schliessen. Die natürliche Geschwin digkeit für diesen Vorgang ist die Umfangs- geschwind'igkeit der Rotorausnehmung; aber da die Relativgeschwindigkeit zwischen Öffnung und Steuerorgan die Öffnungsgeschwindigkeit bestimmt, kann diese durch Drehen des Steuerorganes in zur Drehrichtung des Rotors entgegengesetzter Richtung erhöht werden.
Zum Beispiel können bekannte Mittel zur Um wandlung der stetigen Drehbewegung der Ro toren in eine oszillierende Bewegung des Steuerorganes benützt werden. Fig.18 zeigt beispielsweise eine Kurbel 20, die über die Räder 21 und 22 und die Welle 23 vom Rotor angetrieben wird.
Der Radius der Kurbel 20 ist durch den schematisch gezeigten Mechanis mus 24 einstellbar, während das Phasenver hältnis zwischen Steuerorgan 25 und Rotor 26 mittels des schematisch dargestellten Me chanismus einstellbar ist, durch welchen die relative Winkeleinstellung der Getrieberäder 21 und 22 verändert werden kann, Der Kur belmechanismus kann derart. angetrieben sein, dass er sieh einmal dreht während der Öff nungsperiode, so dass das Steuerorgan sieh jeweils mit seiner Öffnungskante gegen die sich nähernde Öffnung am Öffnungspunkt hin bewegt, dann während der Offenperiode zu rückschwingt und am Schliesspunkt sieh er neut der Öffnung nähert.
Bei einer solchen Anordnung können Änderungen in der Pha seneinstellung und des Kurbelradius zur Steuerung des vor der Förderung erreichbaren Kompressionsgrades benützt werden.
Je nach Einstellung des oder der Steuer organe arbeitet die Maschine als Kompres- sions-, Eapansions- oder gewöhnliche Förder maschine und kann somit für jeden diesen Arbeitsprozessen entsprechenden Zweck ver wendet werden.
Einige solcher Verwendungs zwecke sind beispielsweise: Aufladtmg von Brennkraftmaschinen, Druckerzeuger für Flugzeug-Überdruckkabi- nen,Kompressor für Gasturbinen oder Gene ratoranlagen, Verdrängungspumpe für Flüs sigkeiten, Kompressor für industrielle Zwecke, Sauggebläse für Vakuumeinrichtungen oder Motoren zur Abgabe von Leistung, die durch Verdrängung oder Expansion von Gasen oder Dämpfen gewonnen wird.
Der Vorteil der Maschine bei jedem eine Kompression, Expansion oder Verdrängung eines Fluidums verlangenden Verwendungs zweck liegt in der reinen Drehbewegung und, bei entsprechender Ausbildung, dem hohen ' irkungsgrad und den kleinen Abmessungen. Andere Vorteile ergeben sich bei spezieller Ausbildung und Verwendung dieser Maschine, was im folgenden näher erläutert werden soll.
Das Arbeitsprinzip der Maschine ist für alle Zwecke dasselbe und die L?ntersehiede be stehen nur in der ver;sehiedenen Einstelluni- des oder der Steuerorgane. Fig.19 zeigt einen Querschnitt durch die Rotoren einer lIa- sehine mit in jedem Rotor angeordneten ein stellbaren, kreisbogenförmigen Steuerorganen 27 und 28.
Ein Drehen des einstellbaren Seg mentes 27 im Einlassrotor 29 im Gegenuhr- zeigersinn verkürzt die Länge der Einlass- periode und steuert so die der Maschine zuge führte Fluidmenge. Ein Drehen des einstell baren Segmentes 28 im Auslassrotor 30 im Gegenuhrzeigersinn erhöht den Kowpressions- grad, bevor die Förderung beginnt.
Der erfor derliche Förderdrucl; wird durch die Relativ kapazitäten des Kompressors und der beauf- schlagten Maschine bestimmt, und für wir kungsvollen Betrieb sollte die zugeführte Luft diesen Druck aufweisen. Um dies zu er reichen, ist das drehbare Segment 28 mit einer auf Druck ansprechenden Vorrichtung 31 ver bunden, die durch die Differenz zwischen dem Auslassdruek und dem Koinpressions- druck betä.ti-t wird.
Gewisse Brennkraftmaschinen müssen nur bei hoher Belastung auf;eladen %verden, und, da die bekannten Belastung bei allen Belastungen die gleiche Ausladung ergeben, ist bei kleinen Belastun -en stets ein grosser Leistungsübersehuss vorhanden.
Dieser Nach teil kann dadurch behoben werden, dass beim Kompressor gemäss Fig. <B>19</B> (las Organ 2 7 im Einlassrotor 29 mit der Maschinendrossel ver bunden wird., wie dies durch den Pfeil 32 angedeutet. ist, so dass bei geschlossener Dros sel auch die pro Arbeitsspiel geförderte Luft menge herabgesetzt wird.
Bei Benzinmotoren ist die zureführte Brennstoffmenge der ge förderten Luftmenge proportional und in die sem Fall kann die Leistung innerhalb eines grossen Bereiches reguliert werden, und wäh rend eines grossen Teils des Betriebsbereiches übernimmt die Steuerung mittels des Organes 24 die Arbeit des normalen Drosselventils. Eine solche Steuerung ist besonders vorteil haft, indem sie die Drosselverloste herabsetzt und somit. bei kleinen Belastungen den Wir kungsgrad des Arbeitsspiels erhöht.
In einem speziellen Fall kann das Cle- bläse-Einlassv olumen bei Vollast kleiner ge- macht werden als das Hubvolumen der Ma schine, so dass der Einlassdruck der Maschine stets kleiner ist. als der Atmosphärendruck. In diesem Fall kann das Kompressionsverhält nis der Maschine und der Wirkungsgrad des Arbeitsspiels erhöht werden, ohne den Ma.xi- maldruelz: zu vergrössern.
Um das Brennstoff- huft-Gemisch warm genug zu halten, damit nach er folgter Kompression im Zylinder Ver brennungstemperatur erreicht wird, kann die Abgaswärme oder irgendein geeignetes Ver fahren zur Erwärmung benützt werden.
Da die Zweitakt-Dieselmaschine sowohl eine hohe Aufladung und einen grossen Überschoss an Spüllift benötigt, um bei grosser Bela stung arbeiten zu können, ist die Auflade leistung beträchtlich. Bei kleiner Belastung umfasst sie einen grossen Teil der -Gesamtlei stung, und deshalb ist. auch der Brennstoff- verbrauch hoch.
Bei Verwendung eines Auf ladegebläses der beschriebenen Art kann das Einlassorgan mit. dem Maschinen-Drosselventil gekuppelt sein, so dass der Maschine bei klei ner Belastung nur eine kleine Luftmenge zu geführt wird; das Aufladegebläse benötigt dann weniger Leistung und der Brennstoff verbrauch wird günstiger.
Um maximalen Wirkungsgrad zu erreichen, ist das Auslass-Steuerorgan eines solchen Auf ladegebläses durch eine auf Druck anspre <I>chende,</I> im Aufladegebläseauslass angeordnete Vorriehtun g steuerbar; dies kann unnötig sein, wenn die verlangte Luftmengenänderung nur gering ist. Dies kommt daher, dass eine Herab setzung der angesaugten Luftmenge zu Be ginn der Kompression einen geringeren Druck verursacht und somit auch einen geringeren Förderdruck, was im allgemeinen bei herab gesetzter Luftströmung verlangt wird.
Anderseits kann ein entsprechender Kom pressor auch als normaler Verdrängungskom pressor benützt werden, wenn das Einlass- oder das Einlass- und Auslass-Steuerorgan fest eingestellt bleiben.
Zusätzlich zum Vorteil der ölfreien Luft zufuhr erfüllt ein entsprechend ausgebildeter Kompressor noch andere Bedingungen. Uni den Innendi-tick in einer Flugzeugkabine an- nähernd gleich dem Atmosphärendruck zu halten, muss die Kompression mit zunehmen der Flughöhe stetig erhöht werden können. Gleichzeitig sollte die dem Passagierraum zu geführte Luftmenge konstant bleiben. Diese Bedingungen können dadurch erfüllt werden, dass das Einlass=Steuerorgan mit zunehmen der Flughöhe im Uhrzeigersinn gedreht wird, so dass pro Arbeitsspiel eine konstante Luft menge angesaugt wird.
Dies wird durch ge lenkige Verbindung des Steuerorganes mit einer Vorrichtung (Fig. 19a) erreicht, die auf den Druck der umgebenden Atmosphäre an spricht. Ferner kann Arbeit. gewonnen werden durch Ausstossen der der Kabine zugeführten Luft in die Atmosphäre, indem eine Expan sionsmaschine, die als Luftmotor arbeitet, ver wendet wird. Dies kann eine getrennte oder eine mit dem Druckerzeuger eine Einheit bil dende Maschine sein.
Der Kompressor eignet sich ferner bei ent sprechender Ausbildung besonders zur Ver wendung in Gasturbinen oder Gasgeneratoren, da er zufolge der innern Kompression Lind zufolge des Nichtauftretens des Pumpens mit. hohem Druckverhältnis arbeiten kann. Das Verbinden des Steuerorganes für die Ein lassöffnung über Lenker mit dem Brennstoff system gestattet einen raschen Lastwechsel, ohne dass .die Gefahr der Überhitzung der Turbinenschaufeln besteht.
Durch Verminderung der Länge des Aus- lass-Steiierorganes, derart, dass es während der Dauer der Einlassperiode offen ist, kann die Maschine als Verdrängermaschine bezeichnet werden. In diesem Fall kann sie als Pumpe für inkompressible Fluida wirken und besitzt den Vorteil, dass sie gegenüber normalen Pum pen einen besseren volumetrischen Wirkungs grad besitzt. Dieser Vorteil rührt von der Zentrifugal-Ladewirkung der rotierenden Ein lassöffnung her, wodurch Verluste, wie sie bei normalen Zahnradpumpen durch Kavitation oft entstehen, vermindert werden.
Das verstellbare Einlass-Steuerorgan zu sammen mit der 'Steuerung des A-LLSlass-Steuer- organes können besonders dort verwendet wer- den, wo bei konstanter Drehzahl ein variabler Fluiddurehsatz verlangt wird.
Ein Kompressor der beschriebenen Art, der grosse Arbeitsgeschwindigkeit und kleine Ab messungen hat. und relativ billig ist, ist be sonders geeimnet zur Verwendung als nor maler Industriekompressor in Verbindung mit pneumatischen Werkzeugen oder irgendeinem Arbeitsprozess, bei welchem Luft, Gas oder Dampf unter Druck benötigt wird.
Besonders wenn konstante Drehzahl wich tig ist, kann die Luftmenge durch Regulie- rung der einstellbaren Steuerorgane verändert werden.
Bei hohem Kompressionsverhältnis ist der Kompressor besonders geeignet zur Verwen dung als Gebläse. In diesem Fall nimmt, die Maschine Niederdrnekgas auf, komprimiert es auf Atmosphärendruck und stösst es bei die sem Druck aus. Für normale Anla-en können festeingestellte Steuerorgane benützt werden.
Die einstellbaren Steuerorgane werden vorge sehen, wenn gewisse Bedingungen gestellt sind, zum Beispiel die Steuerung der durchströmen- den Masse oder guter Wirkungsgrad bei ver schiedenen Graden des Vakuums. Bei einer be sonderen Ausführung einer solchen Pumpe ist entweder ein einstellbares Einlass-Steuer- organ,
ein einstellbares Auslass-Steueroruan oder ein Abblasventil vorgesehen, so dass in der -Maschine sich keine übermässigen Drücke bilden können, wenn der Einlassdruek nahe dem Atmosphärendruck liegt.
Die meisten Kompressoren können als lIo- toren verwendet werden, wenn Gas oder Dampf unter Druck zur Verfügung steht; aber nur solche -Maschinen ergeben hohe -Wir- kungsgrade, bei welchen eine innere Expan sion erfolgt.
Diese innere Expansion kann dadurch erreicht werden, d ass das Einlass- Steuerorgan frühzeitig schliesst, so dass siele das Arbeitsfluidum bis ans Ende der normalen Einlassperiode ausdehnen kann. Wenn keine innere Kompression verlangt wird, ist das Auslassventil während der ganzen Periode, während welcher sieh die Lappen einander nähern, offen; dies bildet dann den Ausstoss hub.
Wenn ein einstellbares Einlass-Steuer- organ vorgesehen ist, kann, wie bei Dampf maschinen, variable Abstellung vorgenommen werden, und wenn der Motor so ausgebildet ist, so bildet er eine 3lasehine zwischen der Dampfniasehine und -der Dampfturbine, Fig-. 20 zeigt eine Pumpe mit. zwei Ro toren, die je zwei Lappen besitzen und wobei im Gehäuse eine Öffnung 33 vorgesehen ist, durch welche Luft aus der Atmosphäre ange saugt wird.
Bei diesem Beispiel ist die Ein lassöffnung nicht im Rotor angeordnet, son dern es ist. eine einzige Öffnung; 33 im Ge häuse vorgesehen. Der eine Rotor ist als Voll körper ausgebildet, ist jedoch mit Ausnehmun- gen (Vertiefungen) 34 versehen, um die Aua lassrotorlappen durchzulassen. Diese Ausbil- dunc gestattet es, einen äusserst.
grossen Öff- nun,-squersehnitt. vorzusehen, wobei die Ver minderung der An sauaverluste die Verluste infolge fehlenden Zentrifujal-Ladeeffektes und die grösseren Verluste während der Ein griffsperiode der Lappen wieder aufhebt..
Beim ab-eänderten Ausführungsbeispiel (Yemäss Fi-. 21 ist. die Einlassöffnung 33 im Gehäuse an"eordnet, während beide Rotoren Auslassöffnungen 3:5 aufweisen.
Auch der Totraum ist hier vergrössert., was eine Ver- minderun- des Wirkunns"rades zur Folge hat; dagegen ist der Durchsatz zufolge der grösse ren Rotordrehzahl bei --e-ebener Gasgeschwin digkeit durch die Öffnungen erhöht.
Die Öff nungen 3,5 im Rotor b sind, wie früher be schrieben, auf der Vorderseite jedes Lappens vorhanden, während die Öffnungen 3:5 des an dern Rotors a teilweise durch jeden Lappen hindurchführen, und zwar auf der Vorder seite der Lappen. Die Auslassöffnungen des Rotors a werden durch ein Steuerorgan 8a zur Festlegung des Öffnungspunktes wie beim normalen Auslassrotor b gesteuert.
Am Rotor a sind Vertiefungen 36 zum Durchlassen der Lappen des Rotors b vorgesehen. Bei den Beispielen gemäss Fig. 20 und 21 ist in der einen Endwand des Gehäuses eine Öffnung 33a vorgesehen, die einerseits mit der Einlass- öffnun-- 33 des (Teliäuses und anderseits mit demjenigen Raum 37 in Verbindung steht, der sieh zwischen zwei zusammenwirkenden Lap- pen auf der Rückseite des einen Lappens bil det,
wenn der andere Lappen dieser Rückseite entlang nach aussen gleitet. Durch diese Ver bindung wird verhindert, dass sich im Raum 37 und in den anschliessenden Ausnehmungen 34 bzw. 36 ein unerwünschtes Vakuum bilden kann.
Die Erfindung beschränkt sieh selbstver ständlich nicht auf die beschriebenen Ausfüh rungsbeispiele, sondern es sind die verschie densten: Varianten möglich, ohne über den Er findungsbereich hinauszuführen. So können zum Beispiel die Lappen, zweier zusammenwir kender Rotoren verschiedene radiale Höhe aufweisen.