Vorrichtung zum Regeln der Förderleistung von Drehkolbenverdichtern bzw. zur Füllungsregelung von Drebkolbenexpansionsmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Regeln der Förderleistung von Drehkolben verdichtern bzw. zur Füllungsregelung von Dreh kolbenexpansionsmaschinen, wobei diese Maschinen keine zusätzlichen Einlass- und Auslassorgane besit zen, vielmehr der Ein- und der Auslass durch zur überdeckung kommende Öffnungen in den Dreh kolbenkörpern einerseits und in feststehenden Teilen der Maschine anderseits gebildet wird.
Da die vor handenen Steuerkanten ohne weitere Vorkehren je doch unveränderlich sind, kann auch nur eine un veränderliche Gasmenge durchgesetzt werden. Zur stufenlosen Regelung ist aber die Verwendung eines beweglichen Steuerorgans erforderlich, welches den Einlass mehr oder weniger lange offenhält.
Da die Regelung der Förderleistung von Dreh kolbenverdichtern schwieriger ist und zudem ver schiedene Ausführungsmöglichkeiten für das Steuer organ bestehen, sei zunächst auf die Verdichter regelung näher eingegangen.
Der einfachste Weg zur Mengenregelung wäre ein Steuerorgan, welches den Einlass während des Ver dichtungshubes mehr oder weniger lange offenhält. Wird während dieser Zeit die zuviel angesaugte Gasmenge wieder zurück in die Saugleitung geför dert, so wird der Gegendruck im Zylinder erst zu einem späteren Zeitpunkt erreicht. Würde die Aus lasskante unverändert an derselben Stelle liegen, so würde das Gas aus der Druckleitung in den Zylinder zurückströmen und müsste erneut wieder ausgescho- ben werden, was zumindest bei grösseren Rück strömungen nicht ohne erhebliche Energieverluste und starke Geräuschentwicklung vor sich ginge.
Infolge dessen ist auch eine Verstellung der Auslasssteuer- kante notwendig. Wie aus jedem Kompressordiagramm hervor geht, sind jedoch die benötigten Verstellwege für die Ein- und die Auslasssteuerkante sehr verschieden. Es ist daher nicht ohne weiteres möglich, einen Drehkolbenverdichter ein- und auslassseitig durch einen gemeinsamen Steuerschieber zu regulieren. Viehmehr sind hierzu besondere Vorkehren erfor derlich.
In der beiliegenden Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Regel vorrichtung an Drehkolbenmaschinen mit exzentrisch ineinander gelagerten, mit verschiedenen Drehzahlen umlaufenden Drehkolben schematisch dargestellt und die zugehörigen Kompressionsdiagramme wiedergege ben, und zwar zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Drehkolbenver- dichter mit Steuerschieber und mit diesem zusam menarbeitenden Füllstück, Fig. 2 das zugehörige Diagramm, Fig. 3 einen Schnitt durch einen Drehkolben verdichter mit Steuerschieber und schwenkbarem Steuerstück, Fig. 4 das zugehörige Diagramm, Fig. 5 einen Schnitt durch einen Drehkolbenver- dichter mit Steuerschieber mit zusätzlicher Steuer kante und mit Füllstück und Leerlaufkanal, Fig. 6 und 7 sind die zugehörigen Diagramme.
Fig. 8 zeigt einen Drehkolbenverdichter mit noch einer andern Ausführungsform des Steuerschiebers und Fig. 9 und 10 sind die zugehörigen Diagramme. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Drehkolben verdichter drehen sich die Drehkolben 1 und der Drehkolben 2 je um eine Achse gleichsinnig, aber mit verschiedenen Drehzahlen. Von den beiden Dreh kolben sowie den umgebenden Teilen werden drei voneinander getrennte Zylinderräume, und zwar ein Saugraum 3, ein Saugraum 4 und ein Druckraum 5, gebildet; entsprechend der gezeichneten Kolbenstel lung hat der S augraum 3 das grösste erreichbare Ansaug volumen.
Ist dieser Raum gegen den Saugstutzen 6 bereits abgeschlossen, so wird bei der Weiterbewe gung der Kolben das Gas im Raum 3 verdichtet und schliesslich in den Druckstutzen 7 ausgeschoben.
Das im Gehäuse fest eingebaute Füllstück 8 steuert dabei mit seiner untern Kante 10 den Einlass, während der Steuerschieber 9 mit seiner rechten Kante 11 den Auslass steuert.
Wird der Steuerschieber 9 nun nach rechts in der Zeichnung verstellt, so entsteht an seiner linken Kante 12 ein Schlitz, welcher den Saugraum 3 mit dem Saugstutzen 6 verbindet. Bei der Weiterdrehung der Kolben tritt infolgedessen aus dem sich verklei nernden Raum 3 ein Teil der angesaugten Gasmenge wieder in den Saugstutzen 6 über, und zwar so lange, bis die Steuerkante 13 des Drehkolbens 2 die Steuer kante 12 überschliffen hat. Die im Zylinderraum 3 befindliche Restgasmenge wird nun verdichtet und ausgeschoben. Infolge der Verstellung des Schie bers 9 ist die Steuerkante 11 nach rechts gewandert, so dass das Ausschieben erst zu einem späteren Zeit punkt erfolgen kann.
Im Kompressordiagramm nach Fig. 2 ist die Strecke 14 dasjenige Zylindervolumen, welches dem Winkelmass des Füllstückes 8 entspricht. Die Strecke 15 ist das Saugraumvolumen, welches der Winkelverstellung des Schiebers 9 entspricht. Die in den Saugstutzen insgesamt zurückbeförderte Gas menge ist also gleich der Summe der Strecken 14 und 15.
Die Strecke 16 ist das Druckraumvolumen, wel ches der Winkelverstellung des Schiebers 9 entspricht. Da die Volumenänderung der Zylinderräume nicht linear mit der Winkelstellung verläuft, sind die Strecken 15 und 16 einander nicht gleich. Auch braucht der Auslasseröffnungspunkt nicht genau am Ende der Kompressionslinie zu liegen; vielmehr wird dieser bei raschlaufenden Drehkolbenverdichtern so angeordnet sein, dass der Auslass bei Erreichen des Gegendruckes bereits zum Teil geöffnet ist.
Dem entsprechend wird man die Länge des Füllstückes so bemessen, dass der Steuerpunkt bei allen in Frage kommenden Teillasten stets in angemessenem, aber nicht genau gleichbleibendem Masse vor dem End punkt der Kompressionslinie liegt.
Für diesen Zweck ist, wie in Fig. 3 dargestellt, der Steuerschieber 17 mit einem um eine parallel zur Verdichterachse liegende Achse schwenkbaren Steuerstück 18 versehen. Dieses Steuerstück 18 kann auch zwecks Erzielung einer besonderen Regelung in mehrere in Richtung der Schwenkachse neben einanderliegende Teile unterteilt oder gummielastisch sein.
Bei Verstellung des Steuerschiebers wird das Steuerstück zum Beispiel durch eine Führungs schiene 19 zu einem beliebigen Zeitpunkt und mit zunehmender Steuerschieberverstellung in immer stärkerem Masse angehoben. Infolgedessen liegt die steuernde Auslasskante nicht mehr am rechten, son dern am linken Ende des Steuerstückes 18. Die hier durch eintretende Steuerwirkung geht aus dem Kom- pressordiagramm nach Fig. 4 hervor.
Hierin stellt die Strecke 20 die der Winkel verstellung des Steuerschiebers entsprechende Volu menveränderung des Zylindersaugraumes dar. Die Strecke 21 ist die zugehörige Volumenveränderung auf der Druckseite, welche ohne Vorhandensein des schwenkbaren Steuerstückes eintreten würde. Der Auslass würde also so spät öffnen, dass im Zylinder raum ein starker überdruck und damit ein beträcht licher Energieverlust entstünde. Das Steuerstück 18 verlegt nun beim Anheben den Auslasssteuerpunkt um die Strecke 22 zurück, so dass übermässiger über druck verhindert wird.
Um Drosselverluste zu vermeiden, wird man die Regelung mittels Steuerstück 18 nur für kleine Mengenregelbereiche oder kombiniert mit der Re gelung der Ansaugmenge durch Wiederausschieben mittels des feststehenden Füllstückes 8 verwenden. In letzterem Fall besteht die Möglichkeit, den Regel bereich bis auf kleinste Teillasten auszudehnen.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Drehkolbenver- dichter saugt in der dargestellten Stellung der sich vergrössernde Raum 3 aus dem Saugstutzen 6 Gas an, und der sich verkleinernde Raum 4 verdichtet das in ihm befindliche Gas, während der Raum 5 nach dem Ausschieben des Gases in den Druckstutzen 7 gerade sein kleinstes erreichbares Volumen er reicht hat.
Die Drehkolbenkörper sind von dem feststehen den Füllstück 8 umgeben, das mit seiner vordern Kante 10 in der dargestellten Vollastregelstellung das Ende des Ansaugvorganges steuert, und dem Steuer schieber 9 mit den Steuerkanten 11, 12 und der zusätzlichen Steuerkante 113. Wird der Steuer schieber 9 in Drehrichtung verstellt, so übernimmt anstelle der Steuerkante 10 die Steuerkante 12 die Regelung in der Weise, dass ein Teil des angesaugten Gases in den Saugstutzen 6 zurückfliessen kann. Im Diagramm ((Fig. 6) wird die zurückströmende Gas menge durch die Strecke 115 dargestellt.
Die Steuerkante 11 steuert den Beginn des Aus lassvorganges; je weiter der Schieber 9 im Drehsinn des Verdichters verdreht wird, um so später beginnt der Auslassvorgang, wie aus der Strecke 116 im Diagramm hervorgeht.
Die zusätzliche Steuerkante<B>113</B> steuert das Ende des Auslassvorganges. In der dargestellten Vollast- stellung schliesst die Steuerkante 113 gerade den Arbeitsraum 5 vom Auslassstutzen 7 ab.
Bei Ver stellung des Schiebers 9 im Drehsinn des Verdichters wandert auch die Steuerkante 113 weiter nach unten, so dass der sich wieder vergrössernde Arbeits raum 5 mit dem Druckstutzen 7 in Verbindung bleibt und sich mit verdichtetem Gas so lange füllen kann, bis die Steuerkante 114 des Drehkolbens 2 die Steuerkante 113 überschleift. Im Diagramm ist diese Arbeitsraumfüllung durch die Strecke 117 dar gestellt. Das im Arbeitsraum und im schädlichen Raum eingeschlossene Gas dehnt sich nunmehr unter Leistungsabgabe auf das im Diagramm durch die Strecke 118 dargestellte Volumen aus. Die tatsäch lich vom Verdichter angesaugte und geförderte Gas menge wird durch die Strecke 119 veranschaulicht.
Diese durch die zusätzliche Steuerkante<B>113</B> er möglichte Zurückförderung eines Teils des Gases vom Druckstutzen nach dem Saugstutzen gestattet es, kleine Teillasten zu fahren; ausserdem ist, da der im Druckstutzen herrschende Druck sowohl auf die Steuerkante 11 wie auf die Steuerkante 113 drückt, der Steuerschieber 9 tangential entlastet.
Durch Anordnung eines mit dem Saugstutzen 6 oder mit der Aussenluft in Verbindung stehenden Leerlaufkanals 120, der von der den Abschluss des Auslassvorganges steuernden Steuerkante 113 des Steuerschiebers 9 freigegeben wird, wenn der Steuer schieber 9 unter eine der kleinsten Teillast entspre chende Stellung verstellt wird, ist es möglich, die Teillastregelung zu einer Leerlaufregelung zu er weitern.
Wird nämlich der Steuerschieber 9 noch weiter im Sinn der Drehrichtung verstellt, so dass die in Fig. 5 strichpunktiert gezeichnete Steuerkante 113 den Kanal 120 freigibt, so entsteht eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Druckstutzen 7 und der Aussenluft bzw. dem Saugstutzen 6. Es wird nun kein Gas mehr in die Druckleitung, die mit einem Rückschlagventil gegen den Druckstutzen abgeschlos sen sein muss, gefördert, und der Gegendruck sinkt auf den Atmosphärendruck bzw. auf den Saugdruck der Maschine herunter.
In Verbindung mit einem Regelventil, welches in der Saugleitung kurz vor der Einmündung in die Maschine angeordnet ist und geschlossen wird, wenn der Steuerschieber 9 die Leerlaufstellung erreicht, kann ein Leerlauf mit kleinstmöglichem Energieauf wand herbeigeführt werden.
Fig. 7 veranschaulicht das Leerlaufdiagramm, dessen Grösse vorwiegend von der im Arbeitsraum herrschenden Undichtigkeit bestimmt wird. Die Strecke 121 stellt die bei dem stark herabgesetzten Saugdruck noch ständig zu verdichtende und aus der Undichtigkeit herrührende Gasmenge dar. Punkt 122 auf der Verdichtungskurve kennzeichnet die erreichte Steuerstellung der Kante 11 und die Strecke 123 ent spricht der aus dem Druckstutzen 7 in den Arbeits raum 5 zurückgeströmten Gasmenge bis zum Ab schluss dieses Arbeitsraumes durch die Steuer kante 113. Die im Arbeitsraum 5 eingeschlossene Gasmenge kann nur unter Leistungsabgabe expan dieren, bis die Steuerkante 124 die Verbindung zwi schen Raum 5 und Saugstutzen 6 freigibt.
Schliesslich kann auch die zusätzliche Regulierung der Fördermenge durch die Steuerkante 113 so verstärkt werden, dass die Regulierung durch die Steuerkante 12 überflüssig wird. In diesem Fall ver einfacht sich die Regelvorrichtung erheblich.
Wie in Fig. 8 dargestellt, besitzt dann der be wegliche Steuerschieber 25 zwei Steuerkanten, von denen die eine Kante 26 den Abschluss des Auslass- vorganges und die andere Kante 27 den Beginn des Ansaugvorganges steuert. Die den Auslassbeginn steuernde Kante 28 wird dagegen von dem fest stehenden Gehäuse gebildet.
Bei der dargestellten Schieberstellung entsteht das in Fig. 9 dargestellte Vollastdiagramm. Wird der Schieber 25 nach unten, zum Beispiel in die ge strichelt gezeichnete Lage verschoben, so kann Gas aus dem Druckstutzen in den sich wieder vergrö ssernden Arbeitsraum zurückströmen. Dieser Vor gang wird in Fig. 9 durch die Strecke 29 gekenn zeichnet. Nach Abschluss des Arbeitsraumes durch die Kante 26 findet Expansion unter Leistungs abgabe so lange statt, bis die Steuerkante 27 die Verbindung zum Saugstutzen freigibt.
Die auf der Saugdrucklinie des Diagramms nach Fig. 9 ver bleibende Strecke 30 stellt die tatsächlich angesaugte Teillastmenge dar.
Auch diese Mengenregelvorrichtung kann durch eine Leerlaufeinrichtung ergänzt sein. Der Kanal 31 in Fig. 8 gestattet dabei wieder die Verbindung zwischen Druckstutzen und Aussenluft bzw. Saug stutzen.
Nach Abschluss der Saugleitung durch ein von Hand oder automatisch gesteuertes Ventil -entsteht sodann ein Leerlaufdiagramm, welches etwa die in Fig. 10 dargestellte Form aufweist.
Die Füllungsregelung von Drehkolbenexpansions- maschinen stellt lediglich eine Umkehrung des Regel prinzips von Drehkolbenverdichtern dar, so dass die Darstellung eines Drehkolbenverdichters sinngemäss verwendet werden kann. Anhand der Fig. 1 sei nach stehend die Regelvorrichtung sowie der Regelvorgang beschrieben. Die Expansionsmaschine sei gleichfalls mit dem Steuerschieber 9 ausgerüstet, wobei die Ein strömung durch den Kanal 7 und die Ausströmung durch den Kanal 6 erfolgen soll. Der Drehsinn der Drehkolben 1 und 2 sei entgegengesetzt dem Uhr zeigersinn und das Füllstück 8 sei nicht vorhanden.
Der Raum 5 ist in der gezeichneten Stellung mit dem Druckstutzen 7 verbunden und wird mit Arbeits mittel so lange gefüllt, bis die Steuerkante 11 die Trennung dieses Arbeitsraumes vom Druckstutzen herbeiführt. In dem Raum 3 ist das Arbeitsmittel bereits expandiert und bläst, da die Steuerkante 12 schon eine Verbindung zum Auslassstutzen 6 frei gegeben hat, in diesen aus. Der Raum 4 hat sich bereits wesentlich verkleinert und drückt das noch eingeschlossene entspannte Arbeitsmittel in den Aus lassstutzen 6. Sobald der Arbeitsraum 4 durch die feststehende Gehäusekante 32 geschlossen wird, be ginnt die Rückkompression des restlichen Arbeits mittels im Raum 4.
Durch Verstellung des Steuer schiebers 9 in Pfeilrichtung wird mit Hilfe der Steuer kante 11 die Füllung verringert, und gleichzeitig gibt die Steuerkante 12 den Auslass früher frei, so dass entsprechend dem kleineren Arbeitsdiagramm der Auslass früher öffnet.