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Tandemmotorverdichter mit Freiflugkolben.
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Die Erfindung betrifft die Motorverdichter, insbesondere Tandemmotorverdichter,mit
Freiflugkolben, d.h. Motorverdiohter mit zwei Motorzylindern, in deren jedem zwei
gegenläufige Motorkolben arbeiten, sowie mit einem Verdichterteil mit mit den Motorkolben
gekuppelten Verdichterkolbenq Derartige Motorverdichter sind bekannt.
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Die einander benachbarten, mechanisch miteinander verbundenen Motorkolben
(innere Kolben) bilden eine erste Gruppe während die beiden äusseren ebenfalls mechanisch
miteinander verbunden nen Motorkolben eine zweite Gruppe bilden, wobei die meehanischen
Verbindungsmittel dieser letzteren Gruppe wenigstens eine Stange aufweisen, welche
zu der Achse dar Maschine parallel ist und außerhalb der Motorzylinder verläuft
Diese beiden Gruppen von Motorkolben sind durch Synchronisiermittel so miteinander
verbunden, dass, wenn die beiden gegenläufigen in einem dieser Motorzylinder arbeitenden
Motorkolben ihren Arbeitshub ausführen, die beiden in dem anderen Zylinder arbeitenden
gegenläufigen Kolben ihren Verdichtungshub ausführen, und umgekehrt. Die durch die
Verbrennung des Brennstoffs in
den Motorzylindern entwickelte Energie
dient dazu, in dem Kolbenverdichterteil ein Gas, z.B. Luft, su verdichten, welohes
ausserhalb der Freiflugkolbenmaschine benutzt werden kann.
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Die Erfindung bezweckt, den Wirkungsgrad derartiger Freiflugkolbenmotorverdichter
zu verbessern und eine grosste Leistung der Maschine mit einem geringsten Gewicht
und einem geringsten Platzbedarf zu erhalten.
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Der erf~indungsgemasse Motorverdichter ist durch ein- Turbogebla"se
gekennzeichnet, dessen Turbinenteil fur seinen Antrieb die aus den Motorzylindern
austretenden Verbrennungsgase empfangt, und dessen rotierender Verdichterteil einerseits
zur Speisung der Motorzylinder und des Kolbenverdichterteils des Motorverdichters
mit Vorverdichtung und andererseits zur Lieferung zusätzlicher verdichteter Luft
dient, welche vor dem Turbinenteil des Turbogeblases mit den aus den Motorzylindern
austretenden Verbrennungsgasen ge-R ht wird, wobei eine Brennkammer zwischen der
Stelle, an welcher diese zusätzliche verdichtete Luft mit den Verbrennungsgasen
gemischt wird, und dem Turbinenteil des Turbogebläses angeordnet ist, welche dazu
dient, in dem Gemisch einen in diese Kammer eingespritzten zusätzlichen Brennstoff
zu verbrennen.
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Der Kolbenverdichterteil wird vorzugsweise durch einen mehrstufigen
Verdichter, insbesondere einen zweistufigen Verdichter, gebildet.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezunahme auf die Zeichnung beispielshalber
erlautert.
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Fig.1 zeigt schematisch einen erfindungsgemessen Motorverdichter
zur Erzeugung von Druckluft.
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Fig. 2 zeigt schematisch einen erfindungegemassen Motorverdichter,
welcher ein von Luft verschiedenes Gas verdichten kann.
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Der in Pig. 1 dargestellte Motorverdichter besitzt zwei gleichachsige
Motorzylinder 11 und t2 in Tandemanordnung, welche mit zwei Motorkolbenpaaren 2t,
31 bzw. 22, 32 zusammenwirken. Die inneren Motorkolben 31 und sind starr mit einem
doppeltwirkenden Verdichterkolben 4 verbunden, welcher mit den beiden von ihm in
einem Zylinder 5
bestimmten benachbarten Räumen zusammen wirkt,
welche zwei Verdichterräume bilden.
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Die drei Kolben 31, 32, 4 bilden zusammen die eine hin- und hergehende
Bewegung ausführende innere bewegliche Anordnung.
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Die äussere bewegliche Anordnung wird dadurch gebildet, dass durch
Stangen 8 die äusseren Motorkolben 21, 22 starr mit einander und mit Verdichterkolben
311 312 verbunden werden, wobei die Kolben 31 mit einfachwirkenden Verdichterzylinder
371, 372 zusammenwirken.
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Der Einlass der Zylinder 37 steht mit der Förderseite der durch den
doppeltwirkenden Kolben 4 in dem Zylinder 5 bestimmten Räume in Verbindung, und
zwar über zweckmässig in einem Wärmeaustauscher 41 gekühlte Leitungen 401' 402.
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Die gesamten Verdichterkolben und Verdichterzylinder bilden somit
einen zweistufigen Verdichter, welcher Luft nach aussen in ein Sammelrohr 42 fördert.
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Die Anlage wird durch ein Turbogebläse mit einer mit einem rotierenden
Verdichter mit zwei Stufen 431 432 gekuppelten Turbine 16 vervollständigt. Die Verdichterstufe
431 saugt Luft von aussen an. Ein Teil der in dieser Stufe verdichteten Luft wird
nach Durchgang durch einen Kühler 44 der Saugseite der zweiten Verdichterstufe 432
zugeführt, wahrend der andere Teil nach dem Austritt aus dem gleichen Kühler 44
auf die beiden Verdichterräume des Zylinders 5 durch die Leitungen 451, 452 verteilt
wird.
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Die von der zweiten Verdichtungsstufe 432 geforderte verdichtete
Luft wird in zwei Flüsse unterteilt, von denen der eine die Motorzylinder Ii, 12
durch an den Einlassöffaungen 121 und 122 der Motorzylinder 11 und 12 mündende Leitungen
46,, 462 speist, während der andere, durch die Leitung 47 geförderte der Turbine
16 nach Mischung mit den durch die Auslassöffnungen 131 und 132 der Motorzylinder
11, 12 austretenden,- durch die Leitungen 481. und 482 ankommenden Verbrennungsgasen
zugeführt wird. Vor der Ankunft an der Turbine 16 wird das Gemisch in eine strömungsaufwärts
von der Turbine 16 liegende Brennkammer 18 gebracht. In die Brennkammer 18 wird
Brennstoff
@@ngespritzt und an dier verbrannt, und die aus dieser abgeführten Gase werden dem
Einlass der Turbine 16 zugeführt, aus welcher s4e nach Verrichtung ihrer Arbeit
in der Turbine durch eine Leitung 4 austreten.
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Schliesslich wird der Wirkungsgrad des Turbogebläses des Motorverdichters
noch dadurch verbessert, dass eie Luft der Leitung 47 strömungsaufwärts von der
Brennkammer 18 durch einen von den in der Turbine 16 entspannten Auspuffgasen durchströmten
Abwärmeverwerter 20 geleitet wird.
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Hierdurch entsteht ein dreistufiger Verdichter, bei welchem die Niederdruckstufe
durch die erste Stufe 431 des rotierenden Verdichters, die Mitteldruckstufe durch
den Kolben 4 mit dem Zylinder 5 und die Hochdruckstufe durch die Kolben 311, 312
mit den Zylindern 371 372 gebildet wird.
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Die auf hohen Druck verdichtete Luft wird auf der Pörderseite der
Verdichter 371, 372 in einer gemeinsamen Sammelleitung 42 aufgefangen.
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Gemäss einer Ausführungsabwandlung kann man auch, anstatt die den
Kolbenverdichterteil speisende Luft der ersten Stufe 431 des Turbogeblases zu entnehmen,
diese Entnahme an der zweiten Stufe 432 vornehmen (in Fig.1 nicht dargestellte Losung).
Die Drücke in den drei aufeinanderfolgenden Verdichtungsstufen werden dann etwa
verdoppelt, wobei jedoch die entnommenen Nassen offenbar kleiner sind. In beiden
Fallen ist es erfindungsgemäss stets möglich, die Abmessungen des Turbogebläses
so zu bestimmen, dass das Verhältnis des Massenflusses in den Zeitungen 47 und 48
derart angepasst werden kann, dass die Motorarbeit und die Widerstandsarbeit in
jeder der eine hin und her gehende Bewegung ausführenden Anordnungen des Freiflugkolbenmotorverdichters
gleich gemacht werden können.
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Natürlich muss die eingespritzte Brennstoffmenge in Punktion dieses
Verhältnisses verändert werden. Diese Einspritzung darf jedoch die Temperatur der
der Turbine 16 zugeführten Gase nicht über den Wert hinaus erhöhen, welcher von
den Turbinenschaufeln ausgehalten werden kann.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsabwandlung der Fig. 1, bei welcher das
con dem Motorverdichter verdichtete nutzbare Strömungsmittel von Luft verschieden
ist, z.B.
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gasförmigen Ammoniak, Kohlensäuregas oder ein beliebiges anderes
Gas.
In Fig. 2 werden die Motorzylinder des Freiflugkolbenmotorverdichters durch einen
Bruchteil der Luft gespült und gespeist, welche unter Druck von einem Teil des rotierenden
Verdichters geliefert wird, welcher von der Turbine des Turbogebläses angetrieben
wird, welche mit dem durch die Auspuff- und Spülgase der Motorzylinder und einen
anderen Tell der von dem Teil des rotierenden Verdichters verdichteten Luft gebildeten
Gemisch gespeist wird, welches vor seinem Eintritt in die Turbine in einer Brennkammer
vorgewärmt wirdb Gemäss einer Ausführungsabwandlung wird der Energieüberschuss zwischen
der Entspannungsarbeit der Treibgase in der Turbine und der Verdichtungsenergi,
welche von dem die Turbine und die Motorzylinder speisenden Teil des rotierenden
Verdichters verbraucht wird, zum Antrieb eines anderen Teils des rotierenden Verdichters
ausgenutzt, welcher den Kolbenverdichterteil mit einem von Luft verschiedenen Stromungsmittel
mit Vorverdichtung speist.
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Diese Ausführungsabwandlung ist in Fig. 2 dargestellt, bei welcher
die gleichen Bezugszeichen die glechen Teile wie in Fig. 1 bezeichnen. Bei dieser
Ausführungsabwandlung treibt die Turbine 16 ausser den beiden Luft verdichtenden
Stufen 431, 432 einen rotierenden Verdichter 433 für/Gas (z.B. Ammoniakgas) an welcher
das Gas, gegebenenfalls nach Kühlung in einem Kühler 443, dem Einlass des doppeltwirkenden
Mitteldruckverdichters 5 des Kolbenverdichterteils zuführt, welcher seinerseits,
wie in dem Pall der Fig. 1, zu dem Einlass der Iochdruckverdichter 311, 371 und
312, 372 fördert.
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Wie bereits für den in Fig. 1 dargestellten Motorverdichter ausgefuhrt,
kann man fur die gleiche Spülluftmenge des Motors der Freiflugkolbenmaschine die
Menge des verdichteten, nach aussen gefördeten Stromungsmittels in weiten Grenzen
verändern, indem man die in der Brennkammer 18 verbrannte Brennstoffmenge verandert,
welche in weiten Grenzen von 0 bis zu dem mit der am Einlass der Turbine 16 zulassigen
Temperatur vertraglichen Höchstwert verändert werden kann Die Grösse dieser Veränderung
ergibt sich daraus, dass die der Turbine ohne Nachverbrennung zugeführten Gase infolge
des
@@ @ken e @e an Sp@@luft gegenüber den in der Motorzylindern
der Festflugkolbenmotorverdichters verbrannten Gasen nur eine geringe Temperatur
haben.
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Der erfindungsgemässe Hochdruckmotorverdichter ist also für die Verdichtung
von Gasen und Dämpfen beliebiger Art mit hohem Wirkungsgrad verwendbar.