DE3433762C2 - Flügelzellenmaschine - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenmaschine
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Kleine Dampfkraftanlagen mit vorgegebenem Kesseldruck erfordern
eine wirtschaftlich herzustellende wartungsarme
Kraft- bzw. Arbeitsmaschine ohne zusätzlichen Ölkreislauf
mit Trennungsvorrichtungen von Schmieröl und Arbeitsmedium.
Ferner sollte eine Leistungsregelung der Maschine durch ein
Steuerelement erfolgen, welches keine Drosselung des Ein-
bzw. Auslaßquerschnitts bewirkt und so den thermischen Wirkungsgrad
der Gesamtanlage verschlechtert. Das Steuerelement
darf keine nennenswerte Reaktionskräfte auf die Lager beim
Öffnen oder Schließen hervorrufen, da dieses dem mechanischen
Wirkungsgrad schaden würde. Ferner sollten die Stellkräfte
auf dieses Steuerelement so gering wie möglich sein, damit
dem Gesamtprozeß für die Steuerung der Maschine kein Verlust
entsteht.
Es sind bereits nach dem Flügelzellenprinzip arbeitende Maschinen
als Druckluftmotoren und Kompressoren bekannt. Es
ist ferner bekannt, daß die Druckluftmotoren und der überwiegende
Teil der Kompressoren mit Ölschmierung zur Erhöhung
der Abdichtung und Verschleißminderung versehen sind.
Druckluftmotoren verfügen teilweise über Vorrichtungen zur
Leistungsregelung. Bei den Kompressoren werden, um die Abdichtung
zu verbessern und die Belastung und den Verschleiß
zu mindern, Trennschieber teilweise schräggestellt.
Ölgeschmierte Maschinen können nur dort einfach eingesetzt
werden, wo der Schmierstoff nicht als Verunreinigung des
Arbeitsmediums aufgefaßt werden muß. Im anderen Falle müßte
das Schmieröl, das immer als Verlustöl eingesetzt wird, aus
dem Arbeitsmedium herausgefiltert werden, was vollständig
nicht möglich ist und auch unvollständig zu einem erheblichen
technischen Aufwand führt. Ein Schrägstellen der Trennschieber
begrenzt den Einsatz der Maschine auf eine Drehrichtung,
d. h. in diesem Fall kann nicht nach Bedarf von Motor- auf
Kompressorbetrieb oder umgekehrt umgeschaltet werden. Die
bekannten Vorrichtungen zur Leistungsregelung basieren auf
dem Drosselprinzip, d. h. der im Kessel bereitgestellte Druck
wird vor dem Druckluftmotor in einem Drosselventil den Anforderungen
entsprechend abgebaut; das setzt den Gesamtwirkungsgrad
der Anlage erheblich herab.
Es ist bekannt, Dampfmaschinen, Verbrennungsmotoren und auch
Kompressoren durch Drehschieber zu steuern (BE-A-434762, BE-
A-469064, DE-A-472545). Zylindrische Drehschieber mit einseitigen
Durchbrüchen gestatten zwar durch axiales Verschieben
eine Mengenregelung (vergl. DE-A-4 72 545, BE-A-469064),
jedoch kommt es beim Öffnen des Überströmkanals zu einem Druckabfall,
der mit den Bernoullischen Gleichungen berechnet werden
kann. Aus diesem Druckabfall resultiert eine entgegengesetzte
Reaktionskraft auf den Drehschieber, die von dem Drehschiebermantel
und -lager aufgenommen werden muß. Schon bei geringer
Druckbeaufschlagung verschleißen derartige Drehschieber und deren
Lager infolge der hohen Kräfte. Ein verstellbarer reaktionskräftefreier
Drehschieber, wie er durch BE-A-434762 bekannt
ist, läßt an seinem Mantel keine schrägen Steuerkanten erkennen,
durch sein axiales Verstellen werden die Querschnitte zu den
Überströmkanälen lediglich verkleinert oder vergrößert, d. h. es
erfolgt eine Drosselung, nicht aber eine Steuerung der Ein- bzw.
Auslaßzeiten bei vollem Überströmquerschnitt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Flügelzellenmaschine einfacher Bauart für niedrige Leistungen
und generatorübliche Drehzahlen bereitzustellen,
die
über einen kraftfreien
Drehschieber nach dem Mengenregelungspinzip in der
Leistungsabgabe gesteuert werden kann. Die Maschine soll
auch mit umgekehrter Drehrichtung als Kompressor betrieben
werden können, wobei der Drehschieber einen geforderten Auslaßdruck
einstellbar macht.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die in den Patentansprüchen
angegebenen Maßnahmen gelöst.
Die Flügelzellenmaschine nach der Erfindung wird
als Kraft- oder Arbeitsmaschine für Solaranlagen und kleine
dezentrale Kraft/Wärme-Einheiten eingesetzt. Sie ist eine
nach dem Flügelzellenprinzip arbeitende Maschine, bei deren
Arbeitsmedium es sich vornehmlich um Dämpfe handelt und
bei der die Steuerung der Leistungsabgabe bzw. -aufnahme
durch einen allseitig von Reaktionskräften freien Drehschieber
erfolgt, der von der Rotorachse mit gleicher Drehzahl
oder der Anzahl der Hauptkammern entsprechend untersetzt angetrieben
wird. Die Maschine kann als Kraftmaschine (Motor)
oder durch Wechsel der Drehrichtung als Arbeitsmaschine (Kompressor)
angewendet werden. Um ein Abheben der Trennschieber
im Bereich um den Umfangseinlaß bzw. -auslaß zu vermeiden
und das als "Hämmern" bekannte Abheben der Trennschieber
an bestimmten Stellen der Laufbuchse zu verhindern,
werden diese in einem kleinen Sektorbereich während ihres
Umlaufs durch den hohlgebohrten Läufer mit dem Druck des
Arbeitsmediums beaufschlagt. Dazu werden entsprechend den
Kräften an den Trennschiebern die Bohrungen am Läufer als
Strömungsdrosseln ausgeführt, wodurch ein übermäßiger
Verschleiß der trockenlaufenden Trennschieber vermieden
wird. Die Maschine arbeitet intern ohne Ölschmierung, jedoch
wird der partiell kondensierende Dampf durch eine entsprechende
Materialwahl zur teilweisen Schmierung und Herabsetzung
der Reibung herangezogen.
Die Arbeitsmaschine besteht aus einem trommelförmigen Rotor,
der radial mit Schlitzen zur Aufnahme der Trennschieber
versehen ist. Der Rotor ist angebohrt, so daß unter
die Trennschieber durch eine sektorweise Zuführung des im
Druck durch eine Dresselbohrung reduzierten Arbeitsmediums
die Trennschieber im kritischen Bereich der Laufbuchse angedrückt
werden. Die Laufbuchse besteht vorteilhafterweise
aus einer Oxydkeramik, die Trennschieber aus einem Kohlefasermaterial.
Diese Materialpaarung gewährt von sich aus
eine hohe Lebensdauer und hat zusätzlich den Vorteil, daß
kondensierender Dampf an der Oberfläche filmförmig haftet
und so Reibung und Verschleiß vermindert und die Dichtung
zwischen den Kammern verbessert. Der Rotor ist bekannterweise
im Hauptgehäuse exzentrisch gelagert, wodurch bei
Drehung zwischen den Trennschiebern eine Volumenänderung erfolgt.
Die Steuerung erfolgt über einen mit dem Gehäuse dieser
Maschine verbundenen Drehschieber, der von der Rotorwelle
angetrieben wird. Der Drehschieber selbst besteht aus
zwei zylindrischen Enden, die zur Lagerung und Abdichtung
dienen und einem freigedrehten Mittelteil, dem Dampfvorratsraum.
Auf einer bestimmten Länge ragen von einem Zylinderende
ausgehend in diesen Dampfvorratsraum mindestens zwei
gegenüberliegende - oder eine Mehrzahl gleichverteilter -
Zungen axial hinein. Entsprechend der Zungenzahl und -teilung
befinden sich im Drehschiebergehäuse radiale Bohrungen
auf einer Ebene, die in Überströmkanälen münden, über die
bei Motorbetrieb die Einlaßzelle mit Dampf beaufschlagt wird,
bzw. die umgekehrt bei Kompressorbetrieb den Auslaß darstellen.
Die Zungen selbst sind auf einer Seite achsparallel,
auf der anderen Seite nach oben verjüngt geformt. Der Drehschieber
ist axial verschiebbar. Bei Drehung des Drehschiebers
werden die radialen Gehäusebohrungen durch die achsparallelen
Steuerkanten in bezug auf den Hauptrotor definiert
geöffnet. Verschlossen werden diese durch die infolge der
Verjüngung der Zungen schrägen Schließkanten. Durch axiales
Verstellen des Schiebers werden so unterschiedliche Öffnungszeiten
der Überströmkanäle erreicht.
Die axiale Verstellung des Schiebers kann mechanisch erfolgen
oder pneumatisch dadurch, daß der Verlustdampf, der durch
die beidseitigen Lagerstellen entweicht, vor und hinter dem
Drehschieber in Gehäusehohlräumen gesammelt wird. Öffnet man
nun eines der in beiden Hohlräumen angebrachten Ablaßventile,
so hat der Druckabfall ein Hineinbewegen des Drehschiebers
in diesen zur Folge. Damit eine stabile Regelung
erfolgen kann, ist der Drehschieber in diesem Fall mit einer
Dämpfung zu koppeln.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt die Flügelzellenmaschine
mit Drehschiebersteuerung,
Fig. 2 den Drehschieber,
Fig. 3 die Anordnung zum Anlegen der Trennschieber.
In Fig. 1 ist der Aufbau und die Wirkungsweise der
Flügelzellenmaschine mit Drehschiebersteuerung zu
erkennen. Ein Maschinengehäuse 1 ist mit einem Drehschiebergehäuse
2 fest verbunden. In das Maschinengehäuse 1 ist eine
Laufbuchse 3 aus Oxydkeramik eingeschrumpft. In dieser rotiert
ein exzentrisch gelagerter Rotor 4 mit Trennschiebern
5. Über formschlüssige Übertragungselementen 7, 8 wird ein
Drehschieber 6 von der Rotorwelle des Rotors 4 in Drehung
versetzt.
Die nachfolgende Funktionsbeschreibung gilt zunächst für den
Betrieb als Motor, d. h. Drehung gegen den Uhrzeigersinn. Über
den Einlaß 9 gelangt unter Druck stehender Dampf in den
Drehschieber 6. Eine gerade Einlaßsteuerkante 10 öffnet die
Bohrung zu einem Überströmkanal 12. Durch axiales Verschieben
des Drehschiebers 6 bleibt durch eine schräge Zeitsteuerkante
11 der Überströmkanal entsprechend der geforderten
Leistungsentnahme lang geöffnet. Der unter Druck
stehende Dampf gelangt über den Überströmkanal in die Arbeitskammer
13, wo er expandiert. Dadurch wird über den
Trennschieber der Rotor in Drehung versetzt. Der entspannte
Dampf wird über Bohrungen 14 in einen Auslaßkanal
15 ausgeschoben.
Als Kompressor funktioniert die Maschine - Drehung im Uhrzeigersinn
- wie folgt: Über den Auslaßkanal 15 und die
Bohrungen 14 wird das Medium angesaugt und in der Arbeitskammer
13 verdichtet. Entsprechend der axialen Stellung des
Drehschiebers öffnet die schräge Zeitsteuerkante 11 früher
oder später die Bohrung des Überströmkanals 12 und beendet
demgemäß den Verdichtungsvorgang in der Arbeitskammer. Das
Medium gelangt mit einem vorwählbaren Enddruck in den Drehschieberinnenraum
und über den Auslaß 9 in einen Kessel o. ä.
In Fig. 2 sind die Einzelheiten des Drehschiebers dargestellt.
Durch die Freidrehung im Mittelteil ergibt sich ein Vorratsraum
16 für das Arbeitsmedium, der auf der einen Seite durch
das zylindrische Lagerende und auf der anderen Seite von
Steuerzungen begrenzt wird. Für die Freiheit von Reaktionskräften
sind jede beliebige Anzahl, jedoch mindestens zwei
gleichförmige Zungen erforderlich. In dem Drehschiebergehäuse
2 sind die Bohrungen zu den Überstromkanälen so angebracht,
daß diese von den Steuerzungen ganz verschlossen
und durch axiales Verstellen des Drehschiebers zunehmend
länger geöffnet werden können. Dabei öffnet die Einlaßsteuerkante
10 an einem definierten Punkt, der auf die
Stellung der Trennschieber zum Ein-/Auslaß abgestimmt ist,
während die Zeitsteuerkante 11 die Öffnungszeit und damit
die zuströmende Dampfmenge beim Motor bzw. beim Kompressor
das Ende der Verdichtung und damit den Enddruck regelt.
Über das formschlüssige Kraftübertragungselement 8 und eine
formschlüssige Welle 17 wird der Drehschieber angetrieben,
der auf dieser Welle axial freibeweglich ist. Die Verstellung
des Drehschiebers kann mechanisch oder durch Druckdifferenzen
erfolgen. Die an den zylindrischen Lagerstellen
des Drehschiebers unvermeidlichen Leckverluste führen zu
einem Druckausgleich zwischen der Vorratskammer 16 und nach
außen abgedichteten Ausgleichskammern 18. Wird nun auf der
einen Seite ein mit einer Strömungsdrossel versehenes Ventil
19 geöffnet, so bewirkt der Druckabfall in der daruntergelegenen
Ausgleichskammer, daß sich der Drehschieber in
diese hineinbewegt. Um bei dieser Art der Verstellung eine
stabile Regelung zu gewährleisten, wird der Drehschieber
mit einem Dämpfungsglied 20 gekoppelt.
In Fig. 3 ist die Anordnung zum Anlegen der Trennschieber
dargestellt. Durch eine Gehäusedeckelbohrung 21 gelangt das
unter Druck stehende Arbeitsmedium zu einer Strömungsdrossel
22, wo der Druck gezielt dem erforderlichen Anpreßdruck der
Trennschieber entsprechend abgebaut wird. Durch eine Bohrung
28, die so kurz wie möglich ausgeführt sein soll, strömt
das im Druck reduzierte Arbeitsmedium durch eine Bohrung des
Lagers 24 in den Kanal 25 in dem Wellenstummel bzw. Rotor und
expandiert in einem Expansionsraum 26 unter dem Trennschieber
5 so weit, daß dieser gezielt an der Lauffläche gedrückt
wird. Der Größe und Form der Bohrung im Lager 24 kommt einige
Bedeutung zu, da durch eine im Verhältnis zum Kanal 25 größere
Bohrung oder z. B. durch ein Langloch eine längere Durchflußzeit
des Mediums und damit ein längeres Andrücken des Trennschiebers
an die Laufbuchse erreicht wird. Umgekehrt bewirkt
ein kleinerer Bohrungsdurchmesser eine kürzere Andruckzeit.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen erstens darin,
daß eine nach dem Flügelzellenprinzip arbeitende Maschine
kombiniert mit einem neuen Drehschieber in der Leistung
gesteuert werden kann, ohne daß in einem Drosselorgan
das Arbeitsmedium vorher entspannt wird. Das verbessert den
Gesamtwirkungsgrad der Anlage. Zweitens wird durch das partielle
Anlegen der Schieber mit Hilfe des Arbeitsmediums
eine Beschädigung derselben durch Abheben und Hämmern vermieden
und ein Überströmen von einer Arbeitskammer in die
andere verhindert. Dabei sorgt die Drosselbohrung in der
Zuleitung dafür, daß der Verschleiß der Trennschieber nicht
durch zu heftigen Anpreßdruck ansteigt. Drittens wird durch
die Materialwahl für Laufbuchse und Schieber die Ausbildung
eines Kondensatfilms begünstigt, der auf Verschleiß und Abdichtung
ähnlich günstige Wirkung hat wie ein Ölfilm bei ölgeschmierten
Preßluftmotoren. Viertens ist die Maschine durch
die radiale Anordnung der Trennschieber und die Gestaltung
des Drehschiebers in beiden Drehrichtungen, also als gesteuerter
Motor und als gesteuerter Kompressor, verwendbar.
Fünftens wird ein in allen Richtungen reaktionskräftefreier Drehschieber
geschaffen, für dessen Antrieb und Verstellung eine
vernachlässigbar geringe Leistungsentnahme erforderlich ist.
Claims (4)
1. Flügelzellenmaschine für ein überwiegend gasförmiges Arbeitsmedium, umfassend einen in
einer zylindrischen Laufbuchse eines Gehäuses exzentrisch angeordneten Rotor mit in
radialen Schlitzen angeordneten Schiebern sowie einen von dem Rotor angetriebenen axial
verstellbaren Steuerschieber zur Steuerung eines Einlaßkanals bzw. eines Auslaßkanals
einer Arbeitskammer, dadurch gekennzeichnet,
daß der Steuerschieber als Drehschieber (6) ausgebildet ist und in einem Drehschiebergehäuse
(2) drehend angetrieben wird, wobei der Drehschieber (6) von Steuerkanten
(10, 11) begrenzte Steuerzungen aufweist und im Drehschiebergehäuse (2) in Anzahl und
Teilung den Steuerzungen entsprechende Überströmkanäle (12) vorgesehen sind, und daß
die Steuerzungen schräge Steuerkanten (11) umfassen, so daß die Dauer der Einströmzeit
am Einlaßkanal bzw. der Ausströmzeit am Auslaßkanal durch die axiale Position des Drehschiebers
(6) steuerbar ist.
2. Flügelzellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Drehschieber (6) aus zwei zylindrischen Enden besteht, zwischen denen in dem
Drehschiebergehäuse (2) ein abgeschlossener Vorratsraum (16) für das Arbeitsmedium
gebildet wird, in den von einem Zylinder aus eine beliebige Zahl, jedoch mindestens zwei
von Steuerkanten (10, 11) begrenzte dünnwandige Steuerzungen in gleicher Teilung hineinragen,
die eine gleiche Anzahl von Überströmkanälen (12) in einem Querschnitt des Drehschiebergehäuses (2) öffnen und schließen, so daß der Drehschieber (6) von Reaktionskräften,
die sich aus dem Druck des Arbeitsmediums bzw. den Druckdifferenzen beim
Öffnen und Schließen der Ein- und Auslaßkanäle ergeben, frei ist.
3. Flügelzellenmaschine nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schieber (5) im Rotor (4) über interne Kanäle (23, 24, 25) durch das Arbeitsmedium
mit Druck beaufschlagt werden und somit im kritischen Bereich das Abheben der
Schieber (5) von der Laufbuchse (3) verhindert und der Anpreßdruck der Schieber (5)
durch eine Strömungsdrossel (22) geregelt wird.
4. Flügelzellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die axiale Verstellung des Drehschiebers (6) durch Druckdifferenzen in Ausgleichskammern
(18) des Drehschiebergehäuse (2) bewirkt wird, wobei die Druckdifferenzen durch Öffnen
bzw. Schließen eines Ventils (19) hervorgerufen werden und der Drehschieber (6) zur
Stabilisierung der axialen Bewegung mit einer Dämpfungseinrichtung (20) ausgestattet ist.
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