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Kolbenkompressor für Luft und andere gasförmige Medien Die Erfindung
betrifft Kolbenkompressoren für Luft oder andere gasförmige Medien, bei denen Einlaß
und Auslaß des Mediums am Zylinder bzw. an jedem Zylinder mittels mechanisch angetriebener
Ein- und Auslaßventile gesteuert werden.
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Die Erfindung richtet sich speziell, aber nicht ausschließlich auf
solche Kompressoren für gasförmige Medien (hier als Luftkompressoren bezeichnet),
die mehrere einfach oder doppelt wirkende Zylinder besitzen, die um die Achse einer
Antriebswelle herum in axialer Richtung, d. h. etwa parallel zur Triebwellenachse,
angeordnet sind. Hierbei ist der Kolben jedes Zylinders über eine Taumelscheibe
oder ein ähnliches Element zum Umsetzen der Dreh- in eine hin und her gehende Bewegung
mit der Antriebswelle gekuppelt, wodurch die Kolben bewegt werden, und ein Drehschieber
in einem zylindrischen, mit der Antriebswelle koaxialen Gehäuse steuert die Einlaß-und
Auslaßschlitze in den Zylindern.
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In solchen zur Zeit üblichen Kompressoren besitzen die Schlitze in
den Schiebern und den zylindrischen Schiebergehäusen rechteckige Gestalt, so daß
die Öffnungszeit der Ein- und Auslaßschlitze von der in Richtung des Umfangs gemessenen
Länge der Schlitze im Schieber und Gehäuse abhängt. Daher kann der Kompressionsgrad
eines jeden Zylinders innerhalb eines weiten Bereichs dadurch gewählt werden, daß
man die Schlitze in Richtung des Umfangs entsprechend lang bemißt, denn durch Verzögern
des Öffnens eines jeden Auslaßschlitzes kann die Kompression des Zylinders nach
Wunsch erhöht werden.
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Wenn ein Luftkompressor der angegebenen Art mit sehr verschiedenen
Auslaßdrücken betrieben werden soll, müßte im Interesse eines guten Wirkungsgrades
die
Kompression veränderlich sein, die sich in jedem Zylinder vor dem Öffnen des Auslaßschlitzes
ergibt, so daß der Schlitz gerade dann öffnet, wenn der Druck im Zylinder den Auslaßdruck
erreicht hat. Überdies steigt mit dem Anwachsen des Auslaßdrucks entsprechend der
Druck im Kompressionsraum, und für einen guten Wirkungsgrad muß die im schädlichen
Raum komprimierte Luft während des folgenden Saughubes bis zum Atmosphärendruck
expandieren, bevor der zugehörige Einlaßschieber öffnet.
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Die Erfindung betrifft Kompressoren der genannten Art mit einer Schiebersteuerung,
die diese Gesichtspunkte berücksichtigt und einen in seinem Gehäuse längs verschiebbaren
Schieber verwendet, wie er an sich bei Trommelmaschinen bereits bekannt geworden
ist. -In einem Kolbenkompressor für Luft oder andere gasförmige Medien, insbesondere
einem Kompressor mit um die Antriebswelle parallel angeordneten Zylindern, mit einem
zylindrischen Ein- und Auslaßschieber nebst Gehäuse, die relativ zueinander umlaufen
und Ein- und Auslaßschlitze in ihren Wandungen öffnen bzw. schließen und wobei der
Schieber in seinem Gehäuse längs verschiebbar angeordnet ist, sind gemäß der Erfindung
die Schlitze im Gehäuse derart geformt, daß die Axialverschiebung den Öffnungszeitpunkt
der Einlaß- und der Auslaßschlitze ohne wesentliche Beeinflussung der Schließzeitpunkte
verändert, und weiterhin Mittel vorgesehen, durch die die Lage des Schiebers im
Gehäuse automatisch in Abhängigkeit vom Verhältnis des Ein- und Auslaßdrucks geregelt
wird.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der zylindrische Schieber
so geformt und angeordnet, daß der Einlaßdruck auf das eine, der Auslaßdruck auf
das andere Ende des Schiebers und eine oder mehrere Federn im gleichen Sinne wie
der Einlaßdruck auf den Schieber einwirken, so daß sich bei Änderungen des Verhältnisses
zwischen Einlaß- und Auslaßdruck der Schieber automatisch unter dem Einfluß der
Feder derart axial verschiebt, daß sich die erforderlichen Änderungen der Schlitzöffnungszeiten
ergeben. Bei einer solchen Anordnung ist das eine Ende des Gehäuses auf geeignete
Weise mit dem Einlaßstutzen, das andere Ende mit einem Auslaßstutzen verbunden,
während die Einlaß- und Auslaßkanäle im Schieber von den Ein- und Auslaßschlitzen
in der Gehäusewandung zu seinen Enden hin verlaufen. Auf diese Weise ergibt sich
eine einfache Konstruktion, bei der die beiden Enden des Schiebers von selbst den
notwendigen Drücken ausgesetzt sind.
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Die für die gewünschten Änderungen der Öffnungszeiten bei der Axialverschiebung
des Schiebers in seinem Gehäuse benutzten Schlitzformen können verschieden sein.
Vorzugsweise sind- die für die Öffnungen maßgeblichen Schlitzkanten im Schieber
und im Gehäuse unter dem gleichen Winkel gegen zur Drehachse parallele Linien geneigt,
während die für das Schließen maßgeblichen Schlitzkanten im wesentlichen parallel
zu diesen Linien verlaufen. So kann - die gewünschte schnelle Öffnung der Schlitze
im Beginn der Öffnungsperiode und die schnelle Schließung der Schlitze am Ende der
Schließungsperiode für alle axialen Stellungen des Schiebers in seinem Gehäuse erzielt
werden.
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Die Erfindung kann, wie bereits bemerkt, bei Luftkompressoren der
beschriebenen Art Verwendung finden, deren Zylinder und Kolben in verschiedener
Weise angeordnet sind. Zur Erleichterung des Verständnisses ist nachstehend die
Konstruktion des eigentlichen Kompressors erläutert, obwohl sie nicht zur Erfindung
gehört. In den Zeichnungen stellt dar Fig. i einen Seitenriß des Kompressors im
Schnitt, wobei der Schnitt durch die Achse der Hauptwelle und die Achse eines Zylinderpaars
verläuft, Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie 2-2 der Fig. i, Fig. 3 einen Schnitt
gemäß der Linie 3-3 der Fig. i, Fig. q. einen Schnitt, teils in der Hauptebene der
Taumelscheibe und teils in einer Ebene senkrecht zur Hauptwelle, Fig. 5 einen Schnitt
in vergrößertem Maßstäbe, der die Konstruktion eines der Schieber und seiner benachbarten
Teile erkennen läßt, wobei die Schnittebene durch die Schieberachse verläuft, und
Fig. 6 eine Abwicklung, die Form und Anordnung der Schlitze im Schieber und in seinem
Gehäuse erkennen läßt.
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Die in den Zeichnungen dargestellte und, soweit sich die beschriebenen
Einzelheiten mit den Kolben, dem Kolbenantrieb, der Zylinderanordnung und der Anordnung
der Luftzu- und abführungen befassen, nicht zur Erfindung gehörende Kompressorkonstruktion
besitzt zwei gleiche Zylinderblöcke A und A1, die z. B. aus einer Aluminiumlegierung
gegossen sind und j e sieben Zylinder A 2 aufweisen. Diese sind gleichmäßig um ein
zylindrisches Schiebergehäuse herum verteilt, das sich im Zylinderblock achsparallel
zu den Zylinderachsen befindet und dessen Bohrung etwas größer ist als die eines
jeden Zylinders, wo hingegen seine Länge annähernd mit der der Zylinder übereinstimmt.
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Die beiden Zylinderblocks sind auf den entgegengesetzten Enden eines
Zwischengehäuses B festgeschraubt. Jeder Zylinderblock trägt an seinem äußeren Ende
einen runden Flansch C, der die äußeren Enden der Zylinder A 2 verschließt und durch
dessen mittlere Öffnung ein kurzer Stutzen A 4 hervorschaut. Auf der Außenfläche
eines jeden Flansches C ist ein Gußgehäuse D befestigt, das üblicherweise aus einer
Aluminiumlegierung besteht und mit einem Auslaßkanal Dl versehen ist, in den innen
das benachbarte Ende des Schiebergehäuses A3, A4 -mündet und der eine seitliche
Auslaßöffnung D2 besitzt.
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Jeder Zylinderblock A und A1 trägt an seinem inneren Ende zwischen
sich und dem Zwischengehäuse B einen Flansch mit einer mittleren Öffnung, die von
sieben weiteren, auf einem Kreise angeordneten Öffnungen El, jede davon konzentrisch
zu einem der Zylinder A2, umgeben ist. Auf jedem Flansch E sind Buchsen F mit Flanschen
so aufgeschraubt, daß sie die Öffnungen Ei durchdringen. Sie tragen pilzförmige
Köpfe F1, die gasdichte Abschlüsse für die Zylinderbohrungen bilden, in die sie
hineinragen, so daß sie als innere Zylinderköpfe wirken.
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In jedem Zylinder A2 befindet sich ein Kolben G, und jeder Kolben
des Zylinderblocks A ist an dem
einen Ende einer Kolbenstange G1
befestigt, deren anderes Ende den Kolben G des gegenüberliegenden Zylinders von
Block A 1 antreibt.
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Jede Kolbenstange G1 gleitet in der dem betreffenden Zylinder zugehörenden
Buchse F; jede dieser Buchsen ist, wie ersichtlich, ziemlich lang und besitzt an
ihren Enden Teile F2, F3, die an der Kolbenstange mit Gleitsitz anliegen, während
ihr Mittelstück die Kolbenstange frei umgibt und eine ringförmige Kammer Fs bildet,
zu der schmiermittelhaltige Luft durch die Kanäle F5 Zutritt hat.
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Wie man sieht, ist jeder pilzförmige Kopf F1 der Buchsen F, dem sich
ein Kolben am entsprechenden Ende seines Hubes stark nähert, so geformt, daß nur
ein sehr kleiner schädlicher Raum zwischen ihm und der Kolbenoberfläche entsteht.
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Jede Kolbenstange G1 besitzt in ihrer Mitte ein zylindrisches Gehäuse
G2, in dem ein zylindrisches Kupplungsglied G3 schwenkbar gelagert ist. Sechs von
diesen Kupplungsgliedern sind gleich und mit dem Bezugszeichen G3 versehen, während
das siebente erheblich abweichende Abmessungen besitzt und das Bezugszeichen G'
erhielt. Jedes Kupplungsglied G3 bzw. G5 besitzt eine Querbohrung G4, in der sich
ein Stift H drehen und längs verschieben kann, der radial auf einer Taumelscheibe
Hl sitzt. Diese Taumelscheibe wird mit Lagern H= von einem Glied H3 getragen, das
fest auf der Hauptwelle H4 befestigt ist und auf der Welle eine sogenannte Z-Kurbel
(Z-crank) bildet, die der Taumelscheibe eine entsprechende Bewegung erteilt.
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Wie aus Fig. q. ersichtlich, ist jedes Kupplungsglied G3 so angeordnet,
daß es in begrenztem Maße frei in seinem Gehäuse G2 axial verschiebbar ist, damit
die zugehörigen Stifte H eine begrenzte Kreisbewegung gegenüber der Kolbenstange
ausführen können. Nur bei dem Kupplungsglied G5 besitzt das zugehörige Gehäuse G2
Endkappen G6, die seine Enden verschließen und eine Axialbewegung des Kupplungsgliedes
G5 verhindern. Die so erzielte Verbindung zwischen der Kolbenstange, dem Kupplungsglied
G5 und der Taumelscheibe hindert die letztere, eine Kreisbewegung mitzumachen. Da
diese Verriegelung auf die zugehörige Kolbenstange G1 einen seitlichen Druck ausübt,
ist diese eine Kolbenstange etwas stärker bemessen als die anderen, wie Gld in Fig.
2 zeigt.
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Jedes Ende der Schiebergehäuse A 3 ist mit dem benachbarten Ende eines
jeden Zylinders A2 mittels eines Saug- und Überströmschlitzes J verbunden, und der
einem solchen Schlitz benachbarte Teil eines jeden Pilzkopfes F1 ist weggeschnitten,
wie bei F4 gezeigt, um das Überströmen des Gases durch den Schlitz zu erleichtern,
wenn der Kolben G sich dem Kopf F1 stark nähert.
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In jedem Schiebergehäuse A3 ist ein Drehschieber K drehbar angebracht
mit einer Ausströmkammer KI, die im äußeren Schieberende bei K2 mündet, und mit
einer Ansaugkammer K3, die am inneren Ende des Schiebergehäuses in eine Ansaugkammer
bzw. -kanal L mündet. Die Ausströmkammer Kl ist mit zwei Ausströmschlitzen K4, K5
in der Wandung des Schiebers verbunden, die auf diametral entgegengesetzten Seiten
des Schiebers und in den Ebenen der kombinierten Ein- und Auslaßschlitze an den
Enden der zugehörigen Zylinder liegen. In ähnlicher Weise ist die Ansaugkammer K3
mit den beiden Saugschlitzen K6, K7 verbunden, die ebenfalls auf diametral entgegengesetzten
Seiten des Schiebers und entsprechend in den Ebenen der kombinierten Einlaß- und
Auslaßschlitze J an den Enden der zugehörigen Zylinder liegen. Wie insbesondere
aus Fig. 5 klar ersichtlich, verläuft die Ausströmkammer KI mitten durch die Ansaugkammer
K3, um die notwendige Verbindung jeder dieser Kammern mit den zugeordneten, an entgegengesetzten
Enden des Schiebers befindlichen Schlitzen zu ermöglichen.
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Jeder Schieber K ist auf der Hauptwelle H4 befestigt und mit ihr mittels
einer Feder oder eines Keils derart verbunden, daß er sich auf ihr zwar axial verschieben,
aber nicht drehen kann. Jeder Schieber ist mit zwei Federn -ZVI ausgestattet, die
mit einem Ende am Schieber und mit dem anderen Ende an einem Druckstück M2 auf der
Welle H4 anliegen, wobei sie bestrebt sind, den Schieber stets zum Auslaßkanal D1
hin zu drücken.
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Die Hauptwelle H4 läuft in Lagern N, N1, die in den Gußstücken
D und den Flanschen E -sitzen, und jedes Außenlager N bildet zugleich einen Anschlag
für den benachbarten, unter Federdruck stehenden Schieber K. Auf den Enden der Hauptwelle
sind Gegengewichte N2 angebracht, die während des Laufs ein Kräftepaar entstehenlassen,
das dem von der Taumelscheibe und den Kolben erzeugten entgegengesetzt gerichtet
ist. Eines dieser Gegengewichte kann auch einen Teil einer Kupplungsvorrichtung
darstellen, durch die die Hauptwelle angetrieben wird, wie mit N3 angedeutet.
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Die Kolbenstangen G1 sind in den Führungsbuchsen F an den Punkten
F2 und F3 so knapp gelagert, daß sie die Kolben G in ihren Zylindern A 2 derart
tragen und führen, daß die Kolben die Zylinder nicht berühren und daher nahezu ungeschmiert
arbeiten können. Daher besitzen die Kolben keine Kolbenringe od. dgl. Dichtungsmittel,
sondern sind vorzugsweise mit einer Vielzahl von Ringnuten dicht nebeneinander versehen,
wie deutlich aus Fig. 5 ersichtlich, die eine Art Labyrinthdichtung bilden.
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Gewünschtenfalls kann auch jeder Schieber K mit einer Vielzahl von
Ringnuten dicht nebeneinander auf seinen gesamten Außenflächen versehen sein, wie
in Fig. 5 für den Kolben gezeigt, und vorzugsweise wird jeder Schieber derart getragen,
daß er im wesentlichen ohne Schmierung zwischen seiner äußeren Oberfläche und der
Wandung des Schiebergehäuses A 3 arbeiten kann.
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Aus der obigen"Beschreibung geht hervor, daß der Druck in jedem Auslaßkanal
Dl auf das von den Federn M entfernte Ende des zugehörigen Schiebers K einwirkt.
Ist nun die Federkraft dem Bereich der Auslaßdrücke, die der Kompressor erzeugen
soll, entsprechend bemessen, dann bewegt sich jeder SchieberK mindestens über den
größten Teil des Auslaßdruckbereiches mit zunehmendem Druck axial entgegen seinen
Federn M, so daß tatsächlich seine axiale Lage in jedem Augenblick durch den Auslaßdruck
bestimmt ist.
Jeder Schlitz J, K4, K5, K6 und K7 besitzt eine Leitkante,
womit die Kante gemeint ist, an der sich der Schlitz beim Betrieb zu öffnen beginnt,
und diese Kante verläuft schräg zur Achse des Schiebers, wie aus Fig.6 hervorgeht.
In dieser Figur sind die Schlitze J mit ausgezogenen Linien und die Schlitze
K4, K5, K6 und K7 mit unterbrochenen Linien dargestellt, und zwar zur Demonstration
in zwei verschiedenen axialen Lagen, nämlich in den beiden Lagen in bezug auf die
Schlitze J, die sie einnehmen, einmal, wenn sich der Schieber K in der in Fig. 5
gezeigten Endlage befindet, und einmal, wenn er die andere Endlage einnimmt, in
der die Federn M so weit zusammengedrückt sind, wie dies die begrenzte Axialverschiebung
des Schiebers K erlaubt.
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Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß die Schlitze K4, K5, K6 und K7 sich
in der durch die Bezugszeichen K4 b, K5 b, K6 b, K7 b gekennzeichneten Lage
befinden, wenn der Schieber K die in Fig. 5 gezeigte Lage einnimmt, d. h.
die Lage, die einem niedrigen Auslaßdruck entspricht. Dann bekommt jeder Schlitz
J in jedem Arbeitszyklus mit den Schlitzen K4, K5, K6 und K' etwas früher Verbindung
als in dem Falle, wenn der Schieber K in Fig. 5 gegen seine Federn M nach rechts
bewegt wird, weil der Auslaßdruck einen bestimmten Wert überschreitet. Dies ist
noch früher der Fall, wenn der Schieber K bei Überschreiten des maximalen Auslaßdrucks
entgegen der Wirkung der Federn M bis zum Anschlag bewegt wird.
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In der Art öffnen die Auslaßschlitze K4, K5 (wenigstens über den größten
Bereich der Auslaßdrücke) um so später, je höher der Auslaßdruck ist, und um so
früher, je niedriger er ist. Die Anordnung ist vorzugsweise so getroffen, daß diese
Schlitze stets dann mit den Schlitzen J verbunden werden, wenn der Auslaßdruck im
Zylinder annähernd gleich dem Druck im Auslaßkanal D1 ist.
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Es ist klar, da.ß die Ansaugschlitze auch etwas später öffnen, wenn
der Auslaßdruck hoch ist, als wenn er niedrig ist.