DE3202993A1 - Drehkolbenmaschine - Google Patents
DrehkolbenmaschineInfo
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Description
HOFFMANN · "jEITXJG* & PARTNER 3202993
PAT E N TAN WALT E
DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . Dl PL-I NG. W. EITLE - D R. R ER. NAT. K. HO FFMAN N . Dl PL.-1 NG. W. LEH N
DIPL.-ING. K. FOCHSLE . D R. R E R. NAT. B. HANSEN
ARABELLASTRASSE 4 · D-8000 M O NCH EN 81 . TELEFON (089) 911087 - TELEX 05-29619 (PATHE)
■ _ 4 _
Aerzener Maschinenfabrik GmbH 3251 Aerzen
Drehkolbenmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit mindestens einem Drehkolben und einem diesen antreibenden
Getriebe, dessen Antriebswelle mit einem Antriebsmotor gekuppelt ist.
■
■
Für die Auslegung von ein- oder mehrwelligen Drehkolbenmaschinen sind folgende Parameter maßgeblich:
1. Ansaugvolumenstrom
2. Ansaugdruck
3. Enddruck
4. Ansaugtemperatur
5. Fördermedium
Aus diesen Parametern ergibt sich für den Fachmann/ ob für den konkreten Anwendungsfall der Einsatz
einer einstufigen oder mehrstufigen Maschine zweckmäßig ist.
Grundsätzlich läßt sich für jeden konkreten Anwendungsfall eine Maschine konstruieren und herstellen, die bei
optimalem Wirkungsgrad bestimmte vorgegebene Werte in Bezug
"■ j "*
auf jeden der oben angegebenen Parameter genau einhält. Derartige Maschinen müssen jedoch speziell für jeden An-•
wendungsfall als Sondermaschinen konzipiert und hergestellt werden und sind deshalb hinsichtlich der
Planung und Herstellung sehr teuer.
Die Hersteller von Drehkolbenmaschinen haben deshalb seit langem zur Reduzierung des Planungs- und Herstellungsaufwandes Serienmaschinen in unterschiedlichen Baugrößen
mit verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten untereinander zur Verfügung gestellt. Derartige Serienmaschinen lassen
sich aufgrund größerer Stückzahlen erheblich wirtschaftlicher herstellen als Sondermaschinen und sind deshalb billiger.
Neben der einfachen einstufigen Bauweise sind derzeit als Serienmaschinen auch sogenannte 'Parallelanordnungen oder
Tandemanordnungen im Einsatz.
Der Vorteil derartiger Serienmaschinen hinsichtlich des Planungs- und Herstellungsaufwandes muß jedoch im Vergleich zu
Sondermaschinen mit einer Reihe von Nachteilen erkauft werden.
Sowohl bei der Tandemanordnung als auch bei der Parallelanordnung von Serienmaschinen sind konstruktionsbedingt
bestimmte Drehzahlverhältnisse und Drehkolbenlängen für die zweite Stufe vorgegeben, wodurch bei einer Abweichung
von Auslegungspunkt, und somit in der überwiegenden Anzahl der Einsatzfälle, schlechtere Wirkungsgrade in Kauf genommen
werden müssen. Dies führt im Vergleich zu reinen Sondermaschinen zu einer höheren Leistungsaufnahme und damit zu
erhöhten Energiekosten im Betrieb.
Bei der .Parallelanordnung ergeben sich darüberhinaus
weitere Nachteile in Bezug auf die Anpassung des Ansaug-
Volumenstromes. Da aufgrund des bei derartigen Dopper-Parallelanordnungen
notwendigen Turbogetriebes die Achsabstände zwischen der Hauptantriebswelle und den Antriebswellen
der beiden Stufen einer Baureihe stets konstant sind, muß in Bezug auf das übersetzungsverhältnis für
den angestrebten Ansaugvolumenstrom der ersten Stufe mit dem notwendigen übersetzungsverhältnis für den idealen
Zwischendruck in der zweiten Stufe für die überwiegende Anzahl der Anwendungsfälle stets ein Kompromiß eingegangen
werden. Derartige Kompromisse führen jedoch ebenfalls zu schlechteren Wirkungsgraden und damit zu einem erhöhten
Energieaufwand im Betrieb.
Gegenüber der einstufigen Bauweise müssen sowohl im Falle der Tandemanordnung als auch im Falle der Parallelanordnung
jeweils spezielle Getriebe und Gehäuse vorgesehen werden, da bei der Tandem-Anordnung die Leistung für die zweite
Stufe zusätzlich über das Getriebe für die erste Stufe übertragen werden muß und bei der Parallelanordnung · ·
ein spezielles Turbogetriebe für den zweistufigen Betrieb erforderlich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vollkommen neuartige Drehkolbenmaschine zu schaffen, die für
jeden Anwendungsfall hinsichtlich des Wirkungsgrades, der eingangs genannten Parameter und insbesondere hinsichtlich
des Ansaugvolumenstromes eine optimale Anpassung wie
bei Sondermaschinen zuläßt, dabei jedoch in Bezug auf den Bau- bzw. Fertigungsaufwand und hinsichtlich der Disponierbarkeit
wirtschaftlicher herstellbar ist als Sondermaschinen und vergleichbare bisher bekannte Serienmaschinen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
eine achsparallel zur Drehkolbenachse verlaufende und mit der Antriebswelle achsgleich verbundene Nebenwelle vorgesehen
ist, die an ihrem der Antriebswelle entgegengesetzten freien Ende zum Abgriff von Drehmomenten ausgebildet ist.
Durch die erfindungsgemäßen Merkmale ist erstmalig eine
Drehkolbenmaschine geschaffen, bei der eine Nebenwelle vorgesehen ist, über die ein Drehmoment mit der Drehzahl der
Antriebswelle abgegriffen werden kann, ohne daß dadurch das Übersetzungsgetriebe für den bzw. die Drehkolben belastet
wird. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, über die jeweilige Nebenwelle zwei oder mehrere Drehkolbenmaschinen
zur Bildung von zwei oder mehreren Stufen aneinander zu kuppeln. Die Stufen können dabei eine beliebige Baugröße
"10 aufweisen, d.h. an die Nebenwelle der ersten bzw. der jeweils davor liegenden Stufe kann eine Stufe gleicher ,größerer
oder kleinerer Baugröße angekuppelt werden. Aufgrund des jeweils eigenen Übersetzungsgetriebes können dabei alle
Stufen an die jeweils erforderlichen optimalen Ansaugvolumenströme und Zwischendrücke angepaßt werden, wodurch
alle Stufen in Bezug auf die eingangs genannten Parameter hinsichtlich des Wirkungsgrades im optimalen Einsatzbereich
betrieben werden können.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ergeben sich diese Möglichkeiten mit Serienmaschinen. So können derartige
Maschinen ohne jegliche Änderung sowohl als Einzelstufe, als auch als erste, zweite oder n-te-Stufe eingesetzt
werden. Infolge dieser vielfältigen Einsatzmöglichkeiten werden höhere Stückzahlen als bei bisher im Einsatz
befindlichen Serienmaschinen benötigt, wodurch eine wirtschaftlichere Herstellung als bisher möglich ist. Zusätzlich
ergibt sich eine schnellere Lieferbereitschaft.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konzeption ist,
daß der Einsatz von zusätzlichen und speziell angepaßten Getrieben, wie sie ft Tandemanordnungen und Parallelanordnungen erforderlich
sind, nicht notwendig ist.
Wie bereits erwähnt, können Stufen beliebiger Baugröße zu-
sairanengekuppelt werden. Dabei ist es auch möglich, zwei
Maschinen gleicher Baugröße zusammenzukuppeln und die erste im oberen Umfangsgeschwindigkeitsbereich und die zweite
im unteren Umfangsgeschwindigkeitsbereich zu betreiben. 5
Aufgrund der erfindungsgemäßen Konzeption arbeitet im Falle
der Aneinanderkopplung mehrerer Masdinen der erfindungsgemäßen
Art jede Maschine letztendlich als Einzelstufe, die durch eine entsprechende Wahl des Übersetzungsverhältnisses
ihres Getriebes den jeweiligen Erfordernissen ihrer Aufgabe in der Gesamtanlage entsprechend angepaßt werden kann.
Die erfindungsgemäße Maschinenkonzeption kann sowohl bei
Drehkolbenmaschinen mit einem, als auch bei solchen mit zwei oder mehreren Drehkolben eingesetzt werden. Sie eignet
sich sowohl für den Einsatz in einstufigen, als auch in zwei- oder mehrstufigen Maschinen. Besonders vorteilhaft
ist jedoch die erfindungsgemäße Maschinenkonzeption für Drehkolbenmaschinen mit zwei Drehkolben und zwei oder
mehreren Stufen. In allen diesen Fällen ist jedoch erfindungsgemäß
die Antriebswelle des Getriebes der jeweils nachgeschalteten Stufe mit dem freien Ende der Nebenwelle
der jeweils vorgeschalteten Stufe gekuppelt.
Grundsätzlich ist es möglich, die Nebenwelle aus mehreren Teilen zusammenzusetzen. Vorteilhaft ist jedoch eine Kon.-struktion,
bei der die Nebenwelle mit der Antriebswelle einstückig verbunden ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Dreh"
kolbenmaschine dieser Art ist das Getrieberad auf der Antriebswelle beidseitig gelagert. Dadurch kann eine
Dimensionierung der Nebenwelle auf Biegung entfallen, so daß nur die Übertragung
des jeweils erforderlichen Drehmomentes in die Berechnung der Wellendimension eingeht. Derartige nur auf
Torsion beanspruchte Wellen können bekanntlich kleiner dimensioniert werden, als solche, die auch auf Biegung be-
ansprucht sind.
Grundsätzlich kann die Nebenwelle jede beliebige Länge aufweisen. Zweckmäßig ist es jedoch, wenn die Länge der
Nebenwelle gleich oder größer der Länge des oder der Drehkolben ist. Dadurch liegt das zum Abgriff von Drehmomenten
ausgebildete freie Ende der Nebenwelle auf der der Antriebswelle entgegengesetzten Seite der Drehkolbenmaschine, wodurch
die Ankopplung weiterer Drehkolbenmaschinen vereinfacht wird, da diese in Reihe hintereinander angeordnet
werden können. Dies vereinfacht auch die Ausbildung der gemeinsamen Fundamente.
Bei Drehkolbenmaschinen, bei denen die Länge der Nebenwelle gleich oder größer der Länge des oder der Drehkolben ist,
kann das Gehäuse im Bereich unterhalb der Nebenwelle als Verbindungskanal für die ölschmierung der Maschine ausgestaltet
und damit in besonderer Weise zusätzlich genutzt werden.
Die erfindungsgemäße Nebenwelle eignet sich nicht nur
zum Ankoppeln von Drehkolbenmaschinen zur Ausbildung von zwei oder mehreren Stufen, sondern darüberhinaus auch
zur Ankoppelung von Zusatzaggregaten. So kann an die Nebenwelle beispielsweise ein Ventilatorrad einer Kühlanordnung
für die Maschine angekoppelt sein. Es ist jedoch auch möglich, das Ventilatorrad direkt auf die Nebenwelle aufzuschieben,
wodurch dieses nicht nur am Ende, sondern auch an einer anderen Stelle angeordnet werden kann.
. -
An die Nebenwelle kann bei Drehkolbenmaschinen der erfindungsgemäßen
Art auch eine ölpumpe angekoppelt werden. Diese ölpumpe kann zum einen der Getriebe- und Lagerschmierung
dienen und zum anderen - bei nasser Betriebsweise der Maschine zur Förderung des Schmiermittels für die Drehkolben eingesetzt
werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Ölpumpe auf die Nebenwelle aufgeschoben werden. Dadurch
ist es möglich, die Ölpumpe nicht nur im Bereich der Enden der Nebenwellen anzuordnen, sondern gegebenenfalls auch
an irgendeiner Stelle zwischen den Enden.
Im folgenden sind zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung Drehkolbenmaschinen sowohl
der bekannten als auch der erfindungsgemäßen Art in verschiedenen Ausführungen und Kombinationen dargestellt.
Fig. 1, 2, 3 und 4 zeigen schematisch in vier verschiedenen
Baugrößen Drehkolbenma
schinen der bekannten Art/einstufiger Bauweise,
Fig .5,6 und 7 zeigen schematisch in drei verschiedenen
Baugrößen Drehkolbenmaschinen der bekannten Art in zweistufiger Bauweise ( Tandemanordnung)
,
Fig. 8, 9 und 10 zeigen schematisch ebenfalls in drei verschiedene
Baugrößen Drehkolbenmaschinen der bekannten Art in zweistufiger Bauweise (Parallelanordnung)
,
. Fig. 11 bis 14 zeigen schematisch in vier verschiedenen
Baugrößen Drehkolbenmaschinen der erfindungsgemäßen Art in einstufiger -. " '-"
Bauweise,
25
25
Fig. 15 zeigt schematisch eine zwei- bzw. vier
stufige Drehkolbenmaschine der erfindungsgemäßen Art,
Fig. Ib zeigt schematisch eine zweistufige Drehkolbenmaschi
der erfindungsgemäßen Art, die aus zwei
verschieden großen Einzelstufen zusammengesetzt ist, und
Fig. 17 ■ zeigt schematisch eine Drehkolbenmaschine der er-
findungsgemäßen Art, die aus zwei gleich großen
Einzelstufen zusammengesetzt ist.
Fig. 18 zeigt schematisch in einem Schnitt eine etwa
der Anordnung gemäß Fig. 16 entsprechende zweistufige
Drehkolbenmaschine der erfindungsgemäßen Art, wobei die zweite Stufe abgebrochen dargestellt
ist.
Bisher wurden einstufige, mit zwei Drehkolben ausgestattete Drehkolbenmaschinen mit einem übersetzungsget
triebe - und falls notwendig - mit Synchronisationszahnrädern ausgestattet. Zur Reduzierung der Planungs- und
Herstellungskosten wurden von den Herstellern von Drehkolbenmaschinen dabei Serienmaschinen in vier unterschiedlichen
Baugrößen zur Verfügung gestellt, wie dies in
den Figuren 1, 2, 3 und 4 schematisch dargestellt ist.
TO War eine zweistufige Ausführung notwendig, wurden bisher
entweder zwei einstufige Drehkolbenmaschinen mit zwei Motoren eingesetzt, oder eine Tandemanordnung mit Nebenläuferantrieb
der zweiten Stufe (vgl. Figuren 5 bis 7) bzw. eine Parallelanordnung (vgl. Figuren 8 bis 10)
gewählt.
Für diese bekannten zweistufigen Maschinen war es allerdings notwendig, jeweils spezielle Gehäuse und Getriebe
zur Verfügung zu stellen. So konnte beispielsweise das in der jeweiligen Größe für die einstufige Bauweise verwendete
Übersetzungsgetriebe (vgl. beispielsweise Baugröße
der Figur 1) nicht für die zweistufige Bauweise in Tandemanordnung (vgl. beispielsweise Figur 5) eingesetzt
werden, da bei der Tandemanordnung das gesamte, für den Antrieb der zweiten Stufe benötigte Drehmoment über das
Übersetzungsgetriebe der ersten Stufe läuft. Auch konnte bei einer derartigen Tandemanordnung im Falle einer Verwendung
der Drehkolben einer Baugröße aus der einstufigen
Bauweise in der zweiten Stufe der Zwischendruck wegen f
der festliegenden Drehzahl und Übersetzungsverhältnisse
der festliegenden Drehzahl und Übersetzungsverhältnisse
nicht den Idealwerten angepaßt werden.
Bei der bekannten zweistufigen Bauweise in Parallelanordnung 35
(vgl. Figur 8 bis 10) wiederum waren ebenfalls, nur Kompromisse in Bezug auf die Anpassung des Ansaugvolumenstromes
und des Zwischendruckes möglich, da das bei derartigen Doppel-Turboanordnungen notwendige Turbogetriebe
einer Baureihe stets einen konstanten Achsabstand zwischen der Hauptantriebswelle und den Antriebswellen
der beiden Stufen aufweist und sich diese vorgegebenen Achsabstände nicht mit den für eine optimale
Betriebsweise notwendigen Stufendrehzahlen abstimmen lassen.
Diese Abstimmungs- und Anpassungsprobleme werden durch die erfindungsgemäße Konzeption vollkommen vermieden.
So besitzen Drehkolbenmaschinen der erfindungsgemäßen Art eine achsparallel zur Drehkolbenachse verlaufende und mit der
jeweiligen Antriebswelle 1 für das Getriebe 2,3 achsgleich verbundene Nebenwelle 4, die an ihrem der Antriebswelle
entgegengesetzten freien Ende 5 zum Abgriff von Drehmomenten ausgebildet ist.
Derartige mit einer Nebenwelle 4 ausgestattete Drehkolbenmaschinen
der erfindungsgemäßen Art können wirtschaftlich einschließlich des Gehäuses in Serienfertigung in verschiedenen
Baugrößen (gemäß den Figuren 11, 12, und 14) hergestellt werden. Diese erfindungsgemäß ausgestalteten
Drehkolbenmaschinen können als reine Einzelstufen eingesetzt (vgl. Figuren 11 bis 14) oder zu zwei- oder
mehrstufigen Maschinen (vgl. Figuren 15 bis 17) hintereinander geschaltet werden. Im Falle des einstufigen Ein- ·
satzes können jeweils an das freie Ende der Nebenwelle Zusatzaggregate, wie beispielsweise eine ölpumpe oder ein
Ventilatorrad angekoppelt werden. Im Falle einer zwei- oder mehrstufigen Maschinenkonzeption dienen die Nebenwellen
zur übertragung des Drehmomentes auf die jeweils anschließende Stufe. Aufgrund des erfindungsgemäßes Einsatzes einer
Nebenwelle kann von der einen auf die andere Stufe jeweils ein Drehmoment mit der Drehzahl der Antriebswelle
übertragen werden, ohne daß dadurch das Übersetzungsgetriebe
für die jeweilige Stufe belastet wird. Da außerdem das Übersetzungsverhältnis der jeweiligen Stufe auf
die Drehzahl der nachfolgenden Stufe keinerlei Einfluß hat, kann das Getriebe 2,3 jeder Stufe den jeweiligen Erfordernissen
der jeweiligen Stufe zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades individuell angepaßt werden.
Wie in den Figuren 16 und 17 schematisch dargestellt,
können zur Bildung einer zweistufigen Drehkolbenmaschine der erfindungsgemäßen Art nicht nur Drehkolbenmaschinen
unterschiedlicher Baugröße (Fig. 16) sondern auch gleicher Baugröße (Fig. 17) miteinander kombiniert werden/ und somit
eine dem jeweiligen Verwendungszweck genau angepaßte Maschine erstellt werden, ohne daß es dabei des Aufwandes einer Sondermaschine
bedarf.
Die Schnittdarstellung gemäß Figur 18 zeigt schematisch die Ankopplung von Zusatzaggregaten an die Nebenwelle. So ist
dicht neben der beiden Stufen miteinander verbindenden Kupplung 9 auf der Nebenwelle 4 der ersten Stufe ein Ventilatorrad
7 angeordnet, das Kühlluft durch einen an das Gehäuse der ersten Stufe angebauten Kühler 8 saugt oder drückt. In
diesem Ausführungsbeispiel treibt die Nebenwelle 4 auch eine ölpumpe 6 an, die auf die Nebenwelle aufgeschoben und
in einer innerhalb des Gehäuses angeordneten Ausnehmung angeordnet ist.
Leerseite
Claims (12)
- PAT E N TAN WALT EDR. ING..E. HOFFMANN (1930-1976) . DIPL-ING. W. EITLE . D R. RER. NAT. K. H O FFMAN N · Dl PL.-I NG. W. LEH NDIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 · D-8000 M 0 N CH EN 8] . TELE FON (089) 911087 · TE LEX 05-29619 (PATHE)Aerzener Maschinenfabrik GmbH 3251 AerzenDrehkolbenmaschinePatentansprücheDrehkolbenmaschine mit mindestens einem Dreh- und einem diesen antreibenden Getriebe, dessen Antriebswelle mit einem Antriebsmotor gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine achsparallel zur Drehkolbenachse verlaufende und mit der Antriebswelle (1) achsgleich verbundene Nebenwelle (4) vorgesehen ist, die an ihrem der Antriebswelle (1) entgegengesetzten freien Ende (5) zum Abgriff von Drehmomenten ausgebildet ist.
- 2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, mit einem Drehkolben und zwei oder mehreren Stufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (1) des Getriebes (2,3) der jeweils nachgeschalteten Stufe mit dem freien Ende (5) der Nebenwelle (4) der jeweils vorgeschalteten Stufe gekuppelt ist.
- 3. . Drehkolbenmaschine nach Anspruch 2, mit zwei oder mehreren Drehkolben, sowie zwei oder mehreren Stufen, dadurch gekennz eichnet, daß die Antriebswelle (1) des Getriebes (2,3) der jeweils nachgeschalteten Stufe mitdem freien Ende (5) der Nebenwelle (4) der jeweils vorgeschalteten Stufe gekuppelt ist.
- 4 . Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenwelle (4) einstückig mit der Antriebswelle (1) verbunden ist.
- 5. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Getrieberad (2) auf der Antriebswelle (1) beidseitig gelagert ist.
- 6. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Nebenwelle (4) gleich oder größer der Länge des oder der Dreh-■ kolben ist.
- 7. Drehkolbnemaschine nach Anspruch 6, dadurch g ekennzeichnet, daß das Gehäuse im Bereich unterhalb der Nebenwelle (4) als Verbindungskanal für die ölschmierung der Maschine ausgestaltet ist.
- 8. Drehkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch . gekennzeichnet, daß an die Nebenwelle ein Ventilatorrad (7) angekoppelt ist.
- 9. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch g e kennz eichnet, daß das Ventilatorrad auf die Nebenwelle aufgeschoben ist.
- 10. Drehkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Nebenwelle eine ölpumpe (6) angekoppelt ist.
- 11. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch g e kennzeichnet, daß die ölpumpe auf die Nebenwelle aufgeschoben ist.
- 12. Drehkolbenmaschine mit Dieselmotorantrieb nacheinem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennz eichnet, daß die Drehrichtung derNebenwelle (4) der Drehrichtung des Dieselmotores entspricht.
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